射流和圆柱尾流湍流层次结构的实验研究

用热线测量了射流和圆柱尾流湍流核心区不同位置处的风速脉动 ,通过对速度结构函数标度性质的计算 ,研究了湍流层次结构模型。主要结论有 :层次结构模型中的相似性假设得到了实验的有力支持 ;模型提出的标度指数公式精确地反映了湍流随机场的标度性质 ;速度结构函数的标度性质是与具体湍流流动有关的。     

用PIV实验研究边界层内结构函数标度律

湍流标度律的变化情况显示了湍流边界层内的流动状况.利用高分辨率、高帧率的粒子图像测速技术(PIV)对平板湍流边界层进行了实验研究.研究结果显示,当脉动速度增量结构函数的阶数为正整数且逐渐增大时,由实验所得的脉动速度增量结构函数的标度指数逐渐偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律;而当结构函数的阶数为正分数时,实验所得的标度指数和K41及SL标度指数较为接近;当结构函数的阶数由0趋向于-1时,实验的标度指数明显偏离K41和SL标度指数,出现奇异标度律.这也说明了用低阶结构函数的标度指数也能说明标度律的奇异性及边界层内存在间歇性.对于法向速度增量和涡量分量来说,不管结构函数的高阶或低阶的标度指数都不随壁面位置的不同而改变,具有普适性.     

不同湿度下的云雾-不饱和空气湍流混合实验研究

本实验设计建造了一个80×80×100cm3的室内云雾腔,对不同环境湿度下的云雾-不饱和空气混合过程的湍流特征进行了实验研究,利用 PIV 技术,获得了混合过程中的速度场,得到了湍动能、脉动速度二阶结构函数、泰勒微尺度等物理量。结果表明:该实验测得的湍流泰勒微尺度为 mm 量级;云雾-不饱和空气混合过程的脉动速度场表现出明显的各向异性,随着不饱和环境湿度的增加脉动速度概率密度函数在尾部越来越偏离标准高斯分布;横向结构函数和纵向结构函数比值明显偏离基于均匀各向同性湍流的理论值。     

湍射流的三维LDV测量

对于湍射流下游(即喷口距离大于50倍直径处)的平均速度、脉动速度等流场性质的实验研究较多,而关于射流上游(喷口距离6倍直径内)的实验数据较少。为了测量低速湍射流的平均速度和脉动速度等流场性质,本文利用三维激光多普勒测速系统(3DLDV)对直径21mm的射流进行了湍流测量和流场分析,引入频移技术来确定速度的方向,因所用系统测量的三个速度分量彼此并不相互垂直,故进行了相应坐标变换,同时对测量系统装置和测量基本原理及实验方法进行了介绍,给出了流场脉动速度和湍流度等的实验结果。结果表明低速近喷口处湍射流的三个脉动速度分量、平均流速、射流宽度、雷诺应力等均呈规律性变化。     

液固两相湍流边界层相干结构的PIV实验研究

液固两相湍流是工业和工程中常见的流动状态,研究颗粒—湍流两相之间的作用规律和湍流调制的机理,对有效调控化工过程传热传质具有重要意义。采用粒子图像测速技术(PIV)对液固两相平板湍流边界层进行实验研究,分析在同一来流速度下加入固相颗粒和清水时水平板湍流边界层的平均速度剖面、湍流强度变化情况。通过空间局部平均速度结构函数和相干结构条件采样技术,提取并对比壁湍流相干结构"喷射"和"扫掠"事件的脉动速度、雷诺切应力以及展向涡量的二维空间拓扑形态。发现,同清水工况相比,湍流边界层缓冲层有变薄的趋势,对数律区内移,湍流强度和雷诺切应力均有所增强。相干结构在猝发时,脉动速度增强,雷诺切应力相对增大,展向涡量的发展受到促进,这表明实验中颗粒的存在使得湍流边界层中流体脉动增强,相干结构"喷射"和"扫掠"的强度相应增大,动量和能量的输运增强。     

高强驻波声场中的湍流

反射端声压级高于140dB以后驻波管中的声流结构会发生明显变化。利用流动显示和LDV（Laser Doppler Velocimetry）技术对该问题进行了实验研究。流动显示结果表明，在160dB左右的高强驻波声场中随着旋涡结构的合并、破裂等现象的出现，声致流动有明显的湍流特性。LDV测量结果显示，随着驻波管中声压级的提高，一些测点的速度频谱明显加宽，出现高频速度脉动，而另一些点的速度频谱则没有显著变化。径向湍流强度测量结果显示，此时管中流动已是复杂的三维结构,而非轴对称的二维结构。     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

电加热圆管内流动的自然转捩过程研究

分析了在一个电加热圆管内的自然转捩流动和对流传热。对于圆管内的流动，提出在径向脉动速度不随流动模式变化的假设下，自然转捩流动是充分发展的层流与湍流流动按照比例的合成。采用合成比例来描述该合成流动，合成比例在转捩区间会发生振荡。根据最小熵产生准则得到自然转捩发展演化的方程，其中转捩发展演化的控制因素，是合成比例的振荡。给出了一个与测量结果一致的合成比例的振荡函数，包括圆管内转捩过程的传热实验测量和速度及其脉动统计特性的实验测量。指出圆管内层流向湍流的转捩过程，可以与热力学平衡系统的连续相变过程进行比较，并且在电加热圆管内的流体，其速度和温度可以有相似和独立的转捩演化过程。     

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.     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

明渠水流湍流结构的试验研究

本文采用二维激光流速仪(2D-LDA)在玻璃水槽中实测了光滑和加糙壁面上清水的湍流结构和时均结构。通过试验观测并结合其它学者的资料,研究了水流时均流速分布。发现加糙壁面的流速分布在半对数坐标中为一连续曲线,通过调整理论床面将坐标起点下移后可转变为直线,与对数分布吻合。文中对雷诺切力分布进行了分析并给出了最大雷诺切力及其出现位置的计算公式。实测切力分布与理论公式计算值基本一致,实测表明:边壁加糙对雷诺切力分布影响不大,光滑边壁与加糙边壁切力分布基本相同。文中还讨论了壁面加糙对纵向和垂向脉动强度分布的影响,认为主流区纵、垂向脉动强度均可近似地视为线性分布。     

湍流涡黏性模型方程中相位差的测量

基于理论上湍流相干结构复涡黏性模型对涡黏性系数的分析,应用热线测速技术测量了平板湍流边界层多尺度相干结构动力学方程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差.分析了湍流边界层相干结构猝发过程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,为建立更加符合实际的湍流模型提供了实验依据.     

高频振荡输气机理的实验研究

应用二维激光多普勒测试仪，对高频振荡通气的气体运输机理作了实验研究。按正交试验设计，得到了在不同状态下，树状人工肺各级气管的速度、湍流度及雷诺数。结果表明，ＨＦＯ是一种更为复杂的气体运输，为临床实践中应用ＨＦＯ输氧提供了理论依据。     

大涡模拟在加力燃烧室冷态流场中的应用

对带V型稳定器模型加力燃烧室二维冷态流动进行了大涡模拟。采用了代数和k方程两种亚网格尺度模型，并用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程，用壁面函数处理固壁边界条件，得到了模型加力燃烧室二维瞬态流场的模拟结果。通过对不同亚网格尺度模型和不同入口速度下的瞬态流场的比较，揭示了不同亚网格尺度模型和不同入口速度分布对带V型稳定器燃烧室二维冷态瞬态流场的影响。     

近壁湍流相干结构传播速度的研究

近壁湍流相干结构传播速度的问题，目前尚无理论结果。本文利用流动稳定性理论中的共振三波概念建立单个相干结构模型，采用紧致有限差分和Ｆｏｕｒｉｅｒ谱展开相结合的方法对近壁湍流相干结构进行了数值模拟，计算得到的相干结构流向传播速度与直接数值模拟的结果一致。     

180°矩形弯管流场的LDV测量

采用激光多普勒测速仪(简称LDV)对180°矩形弯管内流场进行了测量,得到时均速度、湍流强度等数据.除靠近内壁r~*=0. 1位置,弯管纵截面上的切向速度沿轴向基本不变,但靠近弯管上下壁面的切向速度逐渐减小直至为零.在弯管的主流区域,0°~60°之间的纵截面上,内侧切向速度增大,外侧切向速度减小;60°~180°之间的纵截面上,内侧切向速度减小,外侧切向速度增大.在整个弯管段内,内侧切向速度总是大于外侧的切向速度.由于受到边界层分离和二次流的影响,90°~180°纵截面上r~*=0. 1位置的切向速度产生明显的变化.轴向速度值远小于切向速度值,并且沿轴向变化不大.轴向速度的正、负之分,说明了二次流的存在,并且二次流的旋转中心从外壁向内壁移动.切向和轴向湍流强度的数量级一样,基本在0. 1Vi左右.切向湍流度在150°~180°纵截面r~*=0. 1位置的变化很大;但是轴向湍流强度分布比较平稳,其值沿轴向和径向变化不大.     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

预混湍流火焰面褶皱结构网络拓扑研究

湍流火焰结构是表征湍流与火焰相互作用的组分、速度、温度等标量场信息，理解湍流与火焰相互作用规律，验证和发展湍流燃烧模型的实验基础。针对传统曲率PDF分布反映湍流火焰面褶皱结构失准问题，利用网络拓扑结构方法可以标记系统关键节点和特征结构，构建湍流火焰面的拓扑结构。本文标记了湍流火焰面上的关键褶皱结构，分析了湍流与火焰的作用规律，结果表明:低湍流强度下，湍流火焰面的关键褶皱结构由火焰自身不稳定性引起；当湍流强度增大，湍流火焰面的关键褶皱结构由湍流尺度决定。在本生灯湍流火焰中，火焰自身不稳定性引起的火焰褶皱与火焰发展距离有关。在本生灯火焰底部，火焰自身不稳定性不引起火焰面褶皱，随着火焰向下游发展，其对火焰面影响逐渐增大，火焰褶皱程度增加。