粗糙壁湍流研究现状综述

研究粗糙壁湍流的统计特性和流动结构对于丰富湍流理论和指导工程实践具有重要意义。壁面相似律是粗糙壁湍流研究取得的经典理论,最近关于湍流边界层内-外区不同尺度结构之间存在相互作用的新的认识,对壁面相似律的有效性提出了挑战,壁面相似律的适用性成为目前研究的一个热点问题。针对这一现状,本文概述了近期国内外在粗糙壁湍流研究中的重要成果,并进一步讨论了今后研究的可能方向。

波状粗糙壁模型流动的壁面热流和阻力关联关系的数值研究

微粗糙壁面上高速气流的流动和传热特性是当前关注的问题。以半无穷长正弦波状板作为微粗糙壁面模型,使用OpenFOAM程序,数值研究不同来流参数和不同波幅的正弦波状板流动。结果表明,在波状壁流动中,壁面热流系数CQ与总阻力系数CD呈现出直接关联,CQ/CD是表征粗糙壁流动与传热特性的关键参数。对于附着型流动,CQ/CD仅取决于粗糙度与边界层厚度之比,即等效粗糙度h;而流动产生分离后,CQ/CD不再随粗糙度变化,仅与波状板相似变化后的位置参量有关。

高超声速平板边界层中波纹粗糙壁峰值热流的变化规律及预测

新型飞行器表面存在微烧蚀现象,会导致壁面局部热流增大。采用粗糙高度小于600μm的波纹型粗糙来模拟微烧蚀表面。通过直接求解Navier-Stokes方程,计算了均布波纹粗糙的壁面峰值热流的变化规律。结果发现,粗糙度引起的峰值热流与流向位置的0.5次方成反比;壁面峰值热流与粗糙高度成正比,并随宽度增大而减小,受高度的影响大于宽度。同时,马赫数和壁温对壁面峰值热流影响结果表明,相对峰值热流增量与马赫数成反比、与壁温成反比。在此基础上,基于光滑平板热流理论解,给出了粗糙壁峰值热流预测公式。详细的工况验证表明,该公式在马赫数4~10和壁温300~800 K范围内能够准确预测粗糙壁面峰值热流,误差不超过8%。对于其他壁面形式,如椭圆型和分散正弦型,该公式也具有一定的适用性。

新型管材内壁粗糙系数的试验研究

对用新工艺生产的高密度聚乙烯(HDPE)双重壁管材的重要技术参数内壁粗糙系数进行原型试验和分析,得到内壁粗糙系数在不同流速和雷诺数时的取值范围,并分析适用条件,为工程、设计部门提供了选取技术参数内壁粗糙系数的依据.

降低SU-8光刻胶侧壁粗糙度的研究

SU-8负性光刻胶可通过UV-LIGA技术得到高深宽比微结构,是微机械系统(MEMS)制造中极具前景的一种技术。目前已有对于SU-8微结构的线宽变化,侧壁倾角,表面粗糙度,增加深宽比等方面的大量研究,但是鲜有对于SU-8微结构侧壁粗糙度的研究。该文从造成微结构侧壁粗糙度的原因入手,讨论了各个工艺参数对侧壁粗糙度的影响,并且通过优化工艺参数达到了降低SU-8微结构侧壁粗糙度的目的。

煤矿巷道壁粗糙度对电磁波传播的影响

根据多波模传输理论推导出多波模综合作用下因巷道壁粗糙度引起的电磁波衰减计算公式,并采用多波模模型仿真分析巷道壁粗糙度对电磁波衰减特性的影响。Matlab仿真结果表明,巷道壁粗糙度对电磁波衰减特性的影响随频率升高而增大,由于波导效应和巷道壁粗糙度的共同作用,煤矿井巷电波传播存在一个0.4～2GHz的低衰减频段。

悬浮泥沙对粗糙底壁湍流场猝发的影响

本文建立了具有法向压力梯度项和沙粒作用项的粗糙底壁附近流场的运动方程，结合对粘性底层和过渡区内层交界面的分析方法和小扰动稳定性理论，由理论分析和数值计算得到了流动雷诺数、无量纲扰动波数、无量纲两相法向平均速度差、斯托克斯数、壁面的粗糙元以及悬浮沙粒的质量浓度等因素与水流底壁湍流猝发角乃至猝发难易程度的关系，部分结果与已有的实验结果进行了比较．文中所得结论有助于进一步了解挟沙水流近壁流场和悬浮泥沙的运动特性以及泥沙的沉积和输运机理．

粗糙元取向对湍流统计量影响的数值研究

采用直接数值模拟方法研究了椭球体粗糙元取向对粗糙壁槽道湍流统计量的影响,其中,粗糙元几何采用清晰界面浸没边界方法直接解析。考虑了四种不同粗糙元取向的粗糙壁,包括随机取向、垂直放置、朝下游倾斜45°、朝上游倾斜45°,对于每种取向选取三种不同粗糙元间距。模拟结果显示:粗糙元取向对湍流统计量有显著影响;对于小粗糙元间距(l=2.0r,其中r为椭球体的最短半轴长),“随机取向”粗糙壁的砂粒粗糙度长度(k_(s))大于其他粗糙壁;对于大粗糙元间距(l=2.8r、3.5r),“垂直放置”粗糙壁的k_(s)最大;“朝下游倾斜45°”和“朝上游倾斜45°”粗糙壁的k_(s)值和雷诺正应力(以壁面摩擦速度无量纲化)基本相同,并且其流向雷诺正应力远高于其他粗糙壁。另一方面,“朝下游倾斜45°”粗糙壁的流向分散应力高于“朝上游倾斜45°”粗糙壁;垂向和横向分散应力远小于流向分散应力,其中“随机取向”粗糙壁的垂向和横向分散应力幅值最高.

绝缘体上硅波导侧壁粗糙度与模式损耗的相关性

绝缘体上硅光波导侧壁粗糙度引起的光损耗是限制硅基集成线路被广泛应用的重要因素之一,利用激光扫描共聚焦显微镜精确测量了SOI波导各相异性分布的侧壁粗糙度,进而将一个三维侧壁粗糙度引入到光波导传输损耗计算的传统理论模型中,获得了更加精确的模型。数值模拟表明,侧壁粗糙度与波导结构决定的相关长度与侧壁粗糙度对光传输损耗产生同步影响。用法布里-珀罗(F-P)腔调制谐振输出方法测量光波导传输损耗,测量结果与数值计算结果非常吻合,说明各相异性粗糙度分布的测量精度及其引起的光传输损耗的理论模型具有很高的可信度。一条4μm脊宽SOI波导,当侧壁粗糙度在水平和垂直方向的平均值分别为22 nm和23 nm时,对于TE-和TM-模式,计算获得的传输损耗均为4.5~5.0 dB/cm,实验获得的平均光传输损耗为4.3 dB/cm。本文研究结果与结论对SOI光波导器件的研究与开发具有参考价值。

内壁粗糙碗中的动力学问题深度探究(一)

笔者针对物体在粗糙碗类竖直轨道中的动力学问题进行了深入探究，推导出物体逆时针运动的角速度ω与转过的角度θ关系．本探究可拓宽读者的视野，提高优秀学生对物理的学习兴趣，发扬探索精神，体会数学与物理结合的美妙．

内壁粗糙碗中的动力学问题深度探究(二)

为更深入探究内壁粗糙碗中的动力学问题,利用Mathematica数学软件计算和画出了物体逆时针运动的角度θ与运动时间t的图像关系和物体逆时针运动的角速度ω与运动时间t的图像关系,从图像关系可以准确得到在某时刻对应的角度、角速度、速度.

光滑和粗糙明槽湍流流动结构分析

采用大涡模拟（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ）方法和Ｓｍ ａｇｏｒｉｎｓｋｙ 及Ｄｙｎａｍ ｉｃ 亚格子（ＳＧＳ）模型数值计算了光滑及粗糙明槽湍流运动． 以槽高为参考长度和来流平均流速为参考速度的雷诺数分别为３ ０００、２２ ８００和１０５，数值离散方法为有限体积法，自由面处理使用了简单的刚盖假定，固壁面采用了壁函数． 与低雷诺数直接模拟（Ｄｉｒｅｃｔ Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌＳｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ）和物理实验结果相比，本文数模呈现了良好的预测结果，也揭示了自由面附近不同于固壁的湍流结构．

喷浆支护过程回弹率敏感性模拟研究

以蓬莱金矿侯各庄巷道喷浆支护为模拟对象,基于喷浆接触参数,建立了PFC2D喷射模型。针对喷射距离、喷射速度、巷道锯齿数目、锯齿高度和角度进行模拟试验,通过分析不同参数下回弹率的变化特征,得出最佳喷射速度为10m/s,喷射距离为1.2m,此时回弹率最低为29.53%。回弹率随着锯齿角度减少,高度增加而逐渐增大。

关于改善液体流量标准装置微小流量稳定性的方法探讨

流量作为工业生产中的重要参数,具有测量动态性、不稳定性的特点,是过程控制中最难准确测量的参数之一。根据JJG164-2000《液体流量标准装置》检定规程,其稳定性是衡量液体标准装置不确定度的重要指标。为提高装置计量性能,本文主要从装置出口压力、管道壁粗糙度、管道中水溶解气和介质洁净度,对微小流量稳定性的影响因素进行分析,并制定加装二次稳压装置、更换管道材质、增加排气阀和杂质过滤装置等可行性改造方案。

超燃冲压发动机主动式掺混增强技术研究

燃料的掺混增强技术是现代超燃冲压发动机的关键技术,针对如何使燃料充分掺混,研究人员发展了多种掺混增强方法,主要分为主动式和被动式两类。主动式掺混增强技术是依靠大尺度的自激励来提高燃料的掺混程度,因其易于控制、结构简单等优点逐渐受到研究人员的青睐。本文针对三种主动式掺混增强技术:等离子体能量沉积辅助掺混技术、波形/粗糙壁扰流技术和脉冲射流扰流技术进行了讨论,介绍了其研究现状和发展前景,并对未来的发展趋势进行了合理的展望,为未来超燃冲压发动机燃烧室内燃料掺混增强技术的进一步优化发展提供了思路。

微小型光开关侧壁反射镜光路传输效率优化方法

提出利用电感耦合等离子体和聚焦离子束刻蚀工艺相结合的加工方法,以提高微小型光开关侧壁反射镜的表面粗糙度,进而提升光路传输效率。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对微小型光开关侧壁反射镜表面粗糙度进行表征,并开展了光路传输效率测试实验。结果表明,经聚焦离子束刻蚀后,微小型光开关侧壁反射镜表面粗糙度由190nm减小到56nm,光路传输效率由10.2%提高到39.1%。

硅基微纳光子器件制备工艺问题及解决方案

讨论了硅基微纳光子器件制备过程中涉及的几个关键工艺问题,包括:电子束/光学光刻的电子束/光学邻近效应;纳米线光波导ICP-RIE刻蚀的侧壁粗糙问题;光栅及MOS绝缘栅氧化硅填充致密度问题.这些问题可影响器件的结构均匀性、波导传输损耗、光栅的散射损耗以及MOS绝缘栅的绝缘性能.在分析实验结果的基础上,提出了一些解决方案.

高深宽比硅通孔检测技术研究

由于SEM显微镜、FIB显微镜检测高深宽比硅通孔耗时、费用高,研究了垂直扫描白光干涉技术检测硅通孔的可行性。设定刻蚀/钝化时间比率,改变深硅刻蚀功率和刻蚀时间,获得不同深度和侧壁粗糙度的硅通孔,并用垂直扫描白光干涉技术进行检测。研究结果表明垂直扫描白光干涉技术可以观察硅通孔的形状、测量侧壁粗糙度、精确无损测量硅通孔深度,可以替代SEM、FIB检测方法。

成品油管内腐蚀的危害分析及对策

介绍了成品油管道内杂质形成情况、管道内腐蚀机理及对管道运行的危害。通过对在成品油管道建设中采用内涂层技术的投资费用计算,分析了采用内涂层技术管道产生的防腐和减阻增输的效益,建议在成品油长输管道建设中广泛应用内涂层技术。