翼型尾流场湍流特征的水筒PIV测试分析研究

翼型尾流场是一个典型的湍流场.文章在CSSRC空泡水筒中采用PIV技术对翼型尾流场进行了大子样试验测量,获得翼型尾流场的时均速度、雷诺应力、脉动速度均方根、湍流强度和平均涡量等统计特征量,并将试验结果与美国Notre Dame大学风洞试验结果作了比较,吻合较好.文中还利用PIV测量瞬时速度场计算了脉动速度空间相关系数和湍流积分尺度,分析了翼型尾流场湍流积分尺度与湍流强度的分布特征及湍流演化规律.     

确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻

文章采用直接数值模拟方法,对具有确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度A和流向波数kx对湍流流场的展向速度、条带、流向涡、Reynolds应力分布和壁面减阻率的影响.结果表明,湍流固有流场和电磁力诱导流场之间相互调制,存在最优参数A、kx,使得诱导流场主宰壁面边界层,减阻效果最好.     

各向异性湍流积分长度数值预报研究

文章针对目前模型试验只能获得各向同性湍流积分长度这一现状,建立了各向异性湍流积分长度数值预报方法:(1)RANS预报初始定常流场;(2)大涡模拟计算脉动速度场;(3)脉动速度相关函数计算各向同性湍流积分长度;(4)计算各向异性湍流积分长度。通过二维水翼模型试验验证了水中各向同性湍流积分长度的数值预报精度,平均误差6.81%;通过风洞螺旋桨验证了空气中各向异性湍流积分长度计算方法。对SUBOFF桨盘面处各向异性湍流积分长度的预报研究发现,各方向湍流积分长度外半径大于内半径;潜艇上部涡团扩散较下部明显,内半径湍流积分长度波峰随着角度增大而内移;Λ11、Λ12和Λ13周向分布受指挥台围壳和稳定翼马蹄涡影响,波峰出现在20°和90°左右;Λ31和Λ32的频率峰值受指挥台围壳和稳定翼马蹄涡脱落频率(约15 Hz)影响,峰值集中在30 Hz以下。该文提出的各向异性湍流积分长度预报方法,为下一步螺旋桨低频宽带噪声预报中构造新的湍流波数谱以提高预报精度提出了思路。     

潜艇喷流流场数值模拟研究

采用数值求解RANS方程的计算方法,结合κ-ω湍流模型,模拟了潜艇模型在指挥台围壳开孔喷流后的流场和水动力.喷流孔布置在指挥台围壳的根部.详细比较了喷流孔位置、尺度、流量等要素对于潜艇流场和水动力的影响.计算给出了桨盘面无量纲速度、不均匀度系数u△、喷流孔附近的速度矢量分布以及喷流孔后的迹线.从涡量的角度初步探讨了喷流改善尾流场的机理.计算结果表明,喷流作为一种主动的流动控制手段可以有效改善潜艇流场品质,喷流流量是影响潜艇流场和水动力的最主要的因素,喷流孔流量与尺度最优值的选择要综合考虑水动力性能的变化.     

双吸泵的多相位定常三维数值模拟

采用ANSYS CFX软件,以雷诺时均(RANS)方程和剪切应力输运(Shear Stress Transport,SST)湍流模型为基础,对双吸泵设计工况进行了多相位定常三维数值计算。模拟结果揭示了泵扬程随叶轮与蜗壳相对位置的变化规律,其平均值与试验值较接近。获取了叶轮通道的流场分布、蜗壳进口截面上压力和速度分布规律及蜗壳特征断面上漩涡结构演化特征。结果表明,多相位定常流动数值模拟在节省大量计算资源的前提下可反映出泵内流场的非定常流动特性。     

分层流体中拖曳球体尾流及辐射内波试验研究

在大型分层流水池中采用 PIV 方法对跃变分层流体中小球尾流场进行了测量,获得了不同拖曳速度工况下跃层处的尾流及内波流场,对体效应稳态内波和尾流效应非稳态内波的特征有了形象直观的了解,获得了内波流场速度大小随内傅氏数的变化规律。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

梯形凹槽织构摩擦副润滑场低雷诺数k-ε模型研究

表面织构在润滑工程中具有非常广阔的应用前景.文中采用纳维-斯托克斯方程的计算流体动力学方法,在黏性润滑条件下,对具有梯形凹槽织构滑动摩擦副表面进行全膜厚润滑分析,研究了梯形凹槽织构表面润滑场不同低雷诺数k-ε湍流模型润滑场在不同区域的流体相对动压和总压、流场的径向速度和切向速度以及流场的相对净黏性力和净压力,比较分析了不同模型的计算结果,提出了建立合理的梯形凹槽织构表面润滑场k-ε湍流模型方法和路径.     

离心风机的内部流场数值模拟及噪声预估

建立后向板型叶片离心风机的流场模型,运用非结构化网格对流场模型进行网格划分,流场模拟的湍流模型采用标准k-ε模型,风机旋转区与非旋转区的耦合采用移动参考坐标系模型MRF,利用Fluent流体分析软件对离心风机的三维流场进行模拟仿真,得出叶轮、蜗壳的速度、压力等分布云图,在此基础上,运用数值计算方法对所研究的离心风机进行噪声预算,结果表明：考虑蜗壳与叶轮之间的区域计算所得流场更加符合实际工况;叶轮对气流做功,叶片根部气体的速度最小,叶片边缘处速度最大;蜗壳内侧的静压与全压均偏低;蜗壳的静压与动压在蜗舌区域均发生突变。研究结果有助于了解风机内部流场的运动规律,为风机结构优化及噪声优化研究提供参考。     

载人潜器阻力的数值计算方法分析

采用多块搭接结构化O型和H型网格对某载人潜器周围控制域进行网格离散,分别采用四种不同的湍流模型,并改变自由来流湍流强度的设置,对潜器周围绕流场进行数值模拟,得到了适于对潜器周围绕流场进行数值模拟的方法,获得较可靠的阻力等计算结果.将阻力计算结果与试验值进行对比,得出采用不同湍流模型进行数值计算时自由来流湍流强度的改变对于计算结果的影响.分析得出适于潜器阻力计算的湍流模型以及相应自由来流湍流强度的取值,为潜器的阻力预报提供了可行的数值计算方法,为潜器的阻力性能优化奠定了基础.     

Lengthscales of motions that control air–water gas transfer in grid-stirred turbulence

The relationship between the gas transfer velocity and turbulent lengthscales is investigated experimentally in a grid-stirred turbulent flow. The horizontal velocity field at the water surface is measured using particle image velocimetry (PIV). The gas transfer velocity for oxygen is obtained through reaeration experiments. In addition, the gas transfer process by surface-renewal eddies is visualized using laser-induced fluorescence (LIF) technique, in which carbon dioxide is used as the tracer gas. The definition of the Taylor microscale holds that the root-mean-square (RMS) of the surface divergence is expressed by the square root of the turbulent kinetic energy divided by the Taylor microscale. Experimentally obtained data support this scaling. They show the gas transfer velocity to be proportional to the square root of the RMS of the surface divergence. These experimental results imply that the Taylor microscale is an important parameter for gas transfer velocity at the air–water interface. These relations indicate that a nondimensional gas transfer velocity is proportional to the − 1/4 power of a turbulent-macroscale Reynolds number, which is similar to a small-eddy model, assuming that turbulent eddies with the Kolmogorov scale control the gas transfer process. However, this Reynolds number dependence does not necessarily mean the superiority of turbulent eddies with the Kolmogorov scale in the gas transfer. The LIF visualizations in horizontal and vertical planes close to the air–water interface indicate that the horizontal CO₂-concentration field has a fine spatial pattern, which resembles that of the surface divergence field, and that surface-renewal motions observed in the vertical plane have a larger lengthscale than the Kolmogorov scale. We infer from both PIV and LIF results that the Taylor microscale is an important lengthscale for air–water gas transfer.     

自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力波数—频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题。文章在已有工作的基础上,采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对不同自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算与分析。首先,介绍了大涡模拟基本方法,包括:大涡模拟的物理内涵、基本方程以及所采用亚格子涡模型的表达式。其次,介绍了湍流脉动压力波数—频率谱及其计算与分析方法。再次,对不同自由来流角度情况下的湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了计算,并将计算结果进行了比较分析,深入讨论了自由来流角度对湍流脉动压力及其波数—频率谱的影响。结果表明,在自由来流角度影响下,湍流脉动压力及其波数—频率谱主要参数(包括波数—频率谱的谱级峰值、迁移脊在波数—频率域内的分布范围、迁移速度和无量纲迁移速度等)均发生了明显变化,说明自由来流角度对湍流脉动压力波数—频率谱有显著影响,且边界层内湍流脉动压力的能量主要沿流向分布。因此,为了更加准确可靠地研究边界层内湍流脉动压力的主要统计特性及其波数—频率谱,传感器阵列或监测点阵列布置方向应与当地流向(局部剪应力线或摩擦力线)一致。     

缸内紊流计算

气缸内气流是以紊流形式存在，在计算气缸对流传热时要知道气流的特征速度和特征长度。本文介绍的紊流模型能准确提供特征速度和特征长度参数的数值。     

Effect of downward seepage on turbulent flow characteristics and bed morphology around bridge piers

In this work, experimental investigations have been pursued to analyse the influence of downward seepage on the turbulent characteristics of flow and corresponding changes in vortex structure around circular bridge pier in alluvial channel. Experiments were conducted in sand bed channel with circular piers of different sizes for no seepage, 10% seepage and 20% seepage cases. The measurement of turbulent flow statistics such as velocity and Reynolds stresses is found to be negative within the scour hole at upstream of the pier whereas application of downward seepage retards the reversal of the flow causing a decrement in the velocity and Reynolds stresses. Higher Reynolds shear stress prevails at the downstream side because of the production of wake vortices. Contribution of all bursting events to the total Reynolds shear stress production has been observed to increase with downward seepage. The analysis of integral scale suggest that size of eddies increases with seepage, which is responsible for increase in particle mobility. Initially rate of scouring is more which abatements gradually with expanding time as well as with the increased of downward seepage. Presence of downward seepage reduces the depth and length of vortex and shifts towards downstream side of the pier.     

航道整治工程软体排压载体的水力特性

软体排是航道整治工程中的基础结构,其水力特性直接影响航道整治工程的护滩效果。通过建立水槽模型,研究软体排压载体附近流场结构、回流区长度、近底流速、紊动流场、切应力等水力特性。结果表明,设置软体排压载体后,近底流速和回流区流速减小,上层流速和水流纵向紊动强度增加,近底层的切应力则明显减小。压载体的设置有利于调节近底水流流态、促进泥沙落淤,提高工程边滩守护效果。     

桥墩下游渗流对湍流和桥墩周围地表形态的影响（英文）

In this work, experimental investigations have been pursued to analyse the influence of downward seepage on the turbulent characteristics of flow and corresponding changes in vortex structure around circular bridge pier in alluvial channel. Experiments were conducted in sand bed channel with circular piers of different sizes for no seepage, 10% seepage and 20% seepage cases. The measurement of turbulent flow statistics such as velocity and Reynolds stresses is found to be negative within the scour hole at upstream of the pier whereas application of downward seepage retards the reversal of the flow causing a decrement in the velocity and Reynolds stresses. Higher Reynolds shear stress prevails at the downstream side because of the production of wake vortices. Contribution of all bursting events to the total Reynolds shear stress production has been observed to increase with downward seepage. The analysis of integral scale suggest that size of eddies increases with seepage, which is responsible for increase in particle mobility. Initially rate of scouring is more which abatements gradually with expanding time as well as with the increased of downward seepage. Presence of downward seepage reduces the depth and length of vortex and shifts towards downstream side of the pier.     

湍流中螺旋桨激振力宽频谱及参数影响研究

针对螺旋桨在湍流中的非定常激振力问题,文章介绍并推导了相关性法,在相关性法的基础上,重新定义了湍流速度相关性公式,并考虑了螺旋桨抽吸作用导致的湍流涡拉伸变形的影响,引入了拉伸系数ax,ay和az,推导了新的螺旋桨激振力宽频公式。同时,使用了十桨叶螺旋桨模型,分别采用相关性法和改进后的相关性法对其进行了计算并与试验值进行对比,发现改进后的相关性法能较好地预报螺旋桨激振力宽频谱,特别是在叶频处能与试验值符合较好。最后,在此基础上,研究了螺旋桨转速n、湍流积分尺度Λ和螺旋桨桨叶数N等参数对螺旋桨激振力宽频谱的影响。     

关于圆柱绕流水动力特性的大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立描述不可压缩粘性流体三维运动的数学模型,引入浸入边界法的无滑移固定壁边界条件和大涡数值模拟的Smagorinsky．Lilly亚格子模型,针对层流（Re=100）和湍流（Re=3900）状态下的圆柱绕流流场进行数值模拟研究,验证结果表明该方法能较有效模拟非定常圆柱绕流流场的形态。在层流状态下圆柱体下游存在形态清晰的卡门涡街结构且无明显的掺混现象;在Re=3900的湍流状态下圆柱下游的掺混现象显著增强,圆柱下游约1．0D处的脉动强度达到最大值。     

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。     

切向单双入口旋流器油-水两相分离流场及特性研究

运用雷诺应力模型（RSM）及两相流 MIXTURE 混合模型和 SIMPLEC 算法对切向单、双入口旋流器内的流场进行模拟分析。采用作图法描述了锥段中间截面处的切向速度、径向速度、湍动能及湍能耗散率,使内部复杂旋流流场的分析得以简化。模拟结果表明：单入口旋流器内流场具有不对称性,呈现偏心结构,双入口旋流器流场具有较好的对称性;油-水分离时,切向双入口旋流器中的分离效率为96%,高于单入口旋流器的94%,但同时增大了能量消耗。实验测试结果显示：流量为3 m3/ h 时的实际分离效率为90%,与模拟结果的平均误差为5%,处理流量相同时,采用切向双入口旋流器更能提高分离效率。