沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

微吹气对湍流平板边界层流动特性的影响及其减阻机理

微吹气技术能够改变平板湍流流场结构,减小平板表面的摩擦阻力。采用直接数值模拟方法,计算了来流马赫数0.7条件下,流场流过光滑平板和NASA-PN2多孔平板表面两种情况,通过对比这两个算例的相关流场特征,验证了微吹气控制减阻的有效性,局部最大减阻率达到了45%,并且由于微吹气控制的"记忆"功能,减阻效果在微吹气流域下游仍会持续一段距离,增加了减阻区域的流向面积。壁湍流摩擦减阻的原因在于近壁区域出现了一个低速的"湍流斑",黏性底层厚度增加,速度型曲线被抬升。但与此同时,边界层内湍流速度脉动也得到了增强。进一步对流向脉动涡演化规律分析,发现微吹气对流向脉动涡发挥着多重作用。在增加流向脉动涡强度的同时,还使得流向涡团向远离壁面抬升,这样减小了流向涡与壁面之间直接作用。此外,微吹射流产生的冲击作用会在流向涡表面留下凹痕,使得流向涡分散成相对小的涡团结构。     

槽道湍流在确定分布的展向电磁力调制下的壁面减阻机理

为了研究槽道湍流中确定分布的展向电磁力的流动控制与减阻问题,采用直接数值模拟的方法,对槽道湍流的确定分布展向电磁力控制后的流场中流向脉动速度、法向脉动速度以及雷诺应力分布的变化规律进行了研究。研究结果表明,槽道湍流流场存在大量分布紊乱的准流向涡和发夹涡结构,经过确定分布的展向电磁力调制之后,该流场的发夹涡结构基本消失,仅存在规律分布的准流向涡结构。控制后的流场相比于湍流流场,其流向脉动速度和法向脉动速度均受到了束缚作用,尤其是近壁区域更为明显。整个控制过程的实质是雷诺应力离散点向原点集中的过程,这个过程导致了流场雷诺应力和壁面阻力的下降。     

沟槽面湍流减阻数值评估方法

为解决雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法模拟沟槽面减阻的实际应用问题,受Wilcox对粗糙度模化方法的启发,通过深入分析k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型近壁区ω值的作用效果,发现在黏性底层内增加壁面ω值可使对应近壁区的湍动能、湍流黏度、雷诺应力均减小,这种对近壁区流动特性的作用效果与真实沟槽面一致。以经典的对称V型沟槽面(高度=间距)减阻实验数据为基础,通过引入减阻效果影响因子——压力梯度与偏航角,建立复杂流动条件下沟槽面几何尺寸到壁面ω值的模化函数方程,将数值模拟结果与实验结果对比,验证了模化沟槽面可以达到与真实沟槽面相同的减阻效果,并依此给出沟槽面减阻在工程实践中的应用方法,以C919翼身组合体巡航构型为例,完成其沟槽面减阻的总体设计与评估。     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

沿流向微结构沟槽流场直接数值模拟

采用高阶格式对覆有V型对称沟槽表面的槽道湍流流动进行了直接数值模拟,数值方法采用有限差分法。为精确求解沟槽壁面的湍流流动,对流项的离散采用7阶WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式;时间推进采用分数步时间推进与低耗散、低色散Runge-Kutta方法（LDDRK方法）结合的格式;黏性项的离散采用6阶中心格式。模拟的雷诺数为5 000（基于槽道高度的1/2）,计算的沟槽宽度范围为13~44,沟槽斜壁与水平面夹角为60°。数值模拟结果表明,与平板相比,沿流向沟槽表面的阻力最高降低了9%。数据分析发现出现减阻效果时,沟槽减少了近壁面处顺流向涡的数目,并且减阻机理与微沟槽阻碍大尺度流向涡与沟槽壁面的直接碰撞,使沟槽表面湍流脉动得到削弱有关。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

吹吸扰动控制猝发过程中雷诺应力的实验

采用热线测速技术和双丝边界层热线探针,在风洞中以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了平板湍流边界层施加不同频率周期性质量引射前后,不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号.采用流向脉动速度局部平均结构函数模极大值法检测了壁湍流猝发过程中拟序结构不同速度分量和雷诺应力分量的条件相位平均波形.发现在扰动源下游一定范围内,摩擦因数和雷诺应力幅值有所减小,扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差,使其保持在π/2的奇数倍左右,此时雷诺应力几乎为0,改变了湍流边界层原有雷诺应力的产生和扩散输运机制,抑制了湍流雷诺应力的产生和输运.      

基于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究

在湍流状态下,利用计算流体力学(CFD)技术,对一系列布置不同尺寸顺流向脊状结构的表面进行了数值模拟。模拟过程采用Reynolds应力方程湍流模型,并且编制程序设定了充分发展的湍流入口边界。通过与光滑表面比较发现,脊状结构附近产生的流向涡是脊状表面减阻或者增阻的重要原因。流向涡改变了近壁面流场结构,引起了边界层近壁区雷诺应力和壁面剪应力的变化,脊状表面也因此出现了减阻或者增阻的现象。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

基于气体射流的气液两相流动减阻特性

为了明确射流表面减阻特性,基于气液两相流动原理,建立具有射流功能的气液两相流动减阻计算模型,采用数值计算方法,通过RNG k-ε湍流模型对射流表面不同射流方向角、以及不同气体射流速度情况下的流场进行数值模拟及实验验证,分析气体射流对壁面黏性阻力、减阻率及流场的影响,研究气体射流的气液两相的减阻特性。结果表明:气体射流表面能够减小壁面黏性阻力,具有较好的减阻效果;四种射流方向角下,射流表面减阻率均在气体射流速度为5m/s时达到极大值,并且当射流方向角在xoz平面为-30°时,减阻率最大,为7.18%;数值模拟的减阻率效果略高于实验结果;气体射流的气液两相流动对壁面边界层进行了有效控制,减小了壁面的黏性剪应力和雷诺应力,导致壁面的黏性阻力减小,使得射流表面具有减阻性能。     

封闭腔内旋转圆盘阻力扭矩特性和微沟槽减阻研究

为了研究旋转圆盘的微沟槽减阻的作用机理,结合离心泵圆盘减阻问题,采用数值模拟的方法对封闭腔体中旋转圆盘的流场进行了仿真计算,并对微沟槽减阻的效果和作用机理进行了分析。计算结果显示,较小的法向间隙和微沟槽都能够起到减阻作用,最大减阻率为13.1%。对壁面参数和流场结构的分析表明,产生减阻效应的原因是法向间隙和微沟槽改变了局部涡的结构和位置,从而改变了湍流强度和壁面旋转剪切应力分布,导致圆盘受到的扭矩减小。研究结果展示了旋转条件下微沟槽减阻效应的作用机理,支持了微沟槽结构在离心泵等旋转机械中提高性能和降低能耗的应用。     

基于狭缝合成射流的湍流边界层流动控制实验研究

湍流边界层主动流动控制减阻是当下一个热门的研究领域。为了探究狭缝合成射流对平板湍流边界 层流动控制的减阻效果,分别在有无合成射流干扰的条件下利用恒温式热线风速仪测量湍流边界层的流向速 度,根据测量结果得到时均速度型、脉动速度型、偏斜因子、平坦因子,并进行对比分析;选取不同频率和强度组 合的典型合成射流激励条件,研究激励条件带来的减阻效果沿流向的变化。结果表明:受控湍流边界层减阻效 果、施加的合成射流特性和当地站位到狭缝的距离均有关;合成射流在靠近狭缝位置引起湍流边界层表面摩擦 阻力增加;远离狭缝,合成射流产生减阻效果,随流向距离增加,减阻效果先增强后减弱;高频合成射流比低频 合成射流减阻效果更强;脉动速度的功率谱密度和自相关性分析表明合成射流的作用效果沿流向逐渐减弱。     

圆转矩形喷管射流掺混特性试验

采用热线风速仪对圆转矩形收敛喷管的射流流场与掺混特性进行了试验研究,测量了喷口下游不同截面上,射流宽、窄对称面上的速度、雷诺剪应力、湍流强度的分布规律.发现沿径向,雷诺剪应力先增大后减小,最大值出现在射流与外流的交界面附近,湍流强度则逐渐减小;在轴向上,雷诺剪应力在近喷口区存在小幅波动,而后逐渐减小,湍流度则先略有增大而后变化逐渐减慢.射流特性在宽对称面与窄对称面上的分布规律相同.      

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

圆转矩形喷管射流掺混特性试验研究

本文采用热线风速仪对圆转矩形收敛喷管的射流流场与掺混特性进行了试验研究,测量了喷口下游不同截面上,射流宽、窄对称面上射流的速度、雷诺剪应力、湍流强度,得到其沿径向和轴向的分布规律。发现在径向方向上,雷诺剪应力先增大后减小,最大值出现在射流与外流的交界面附近,湍流强度则逐渐减小;在轴向上,雷诺剪应力在近喷口区存在小幅波动,而后逐渐减小,湍流度则先略有增大而后变化逐渐减慢。射流特性在宽对称面与窄对称面上的分布规律相同。     

基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化

针对沟槽外形减阻问题，采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型，控制方程为黏性不可压缩Navier-Stokes(NS)方程，流动求解采用直接数值模拟（DNS）方法，对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式，对黏性项的离散采用4阶中心格式，时间推进采用3阶Runge-Kutta格式。在神经网络优化过程中，约束方程为不可压NS方程，采用基于在线学习的自适应控制器，使用基于抑制展向切应力的控制律，控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明，壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面，湍流强度降低了19.68%，同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常，因此优化得到的壁面形状亦是时变的，但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。     

基于等离子体激励的湍流边界层减阻控制

为了探究介质阻挡放电（dielectric barrier discharge, DBD）等离子体气动激励对平板湍流边界层的减阻情况，在控制来流速度为10.7 m/s的低速风洞中进行等离子体平板湍流边界层减阻控制实验。本实验重点研究了不同激励频率对湍流边界层的减阻控制效果，使用热线风速仪系统采集流向速度信号，获得边界层平均速度分布和脉动速度分布。对实验结果进行对比分析发现，在施加不同频率的等离子体激励之后，边界层内对数区速度明显减小；随着激励频率的增加，局部减阻率呈现出先增大后减小的趋势，在激励频率为200 Hz时，减阻率达到最大为7.4%。     

槽道流动中湍斑的数值模拟

采用Navier-Stokes方程直接数值模拟槽道流动中湍斑的形成和发展.建立高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式,并和时间分裂法、高阶迎风差分格式一起组成高效的高阶紧致差分方法;克服一般高阶中心差分格式不适用于边界邻域的困难,可用于包括边界邻域在内的整个计算区域;在边界上满足Navier-Stokes方程的无反射和压力条件,保证了格式的精度和一致性.通过模拟槽道流动中从壁面脉冲到湍斑的演化过程,显示出湍斑内雷诺应力和速度、压力脉动等湍流的基本特征,表明了湍斑的生成与壁面脉冲的强度和Re数大小直接相关.     

沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果,发现沟槽面的带条比较平坦,低速带条有较好的直线性,说明沟槽限制了流体的横向流动,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小,最多小30%,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小,但最可几概率增大,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨,得到的沟槽无量纲高度和间距为15～18的沟槽板有较好的减阻效果。