水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著，相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系，研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置，可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验，确定了不同水温条件下传感器的标定系数，结果表明标定系数B与水温呈线性相关。     

基于粒子追踪测速的壁面摩擦应力测量

采用微粒子追踪测速技术（Micro-Particle Tracking Velocimetry,μ-PTV）对近壁面的流场开展高空间分辨率测量,通过解析黏性底层的速度分布,应用一次线性回归计算得到壁面摩擦应力。测量了不同雷诺数（基于动量损失厚度 ）下的湍流边界层壁面摩擦切应力,在Re_θ =1200时获得了罕见回流事件的发生概率和流场结构。实验结果表明,采用μ-PTV技术可以实现壁面摩擦应力的准确测量,在Re_θ =1634～4070时,摩擦阻力系数测量误差小于2%。回流事件的概率极低,在Re_θ =1200时约为0.05%,尺度小于8×30个壁面单位,因此回流事件的测量对测量技术的空间分辨率要求较高;分析结果表明回流事件伴随壁面附近的强展向涡出现。     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性.采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制.     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

平板及减阻沟槽表面雷诺切应力的实验研究

利用二维LDV系统对零压力梯度下光滑面和减阻沟槽面湍流边界层流场进行对比测量.着重考察了相同流动条件下光滑面、沟槽面的槽及峰上部区域雷诺切应力的分布特性,并利用象限分析法研究了沟槽面对湍流边界层相干结构的影响.研究发现:减阻沟槽面槽峰增强了雷诺切应力水平,使其上部区域下扫事件的平均强度增强;而槽部则抑制了雷诺切应力水平,削弱了其上部区域下扫事件的强度;沟槽上部区域雷诺切应力水平的降低幅度高于槽峰上的增加幅度.由此可以认为:沟槽的抑制作用抵消了沟槽峰部的增强效果,使得近壁区内动量交换水平减弱,从而,减阻沟槽面的雷诺切应力在总体上表现为减小.     

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.     

不同相位壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟的方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中不同初始相位壁面局部微振动诱导大涡结构的过程。计算结果表明:壁面扰动初始相位为0或π,大涡结构的初始扰动速度场完全相反,初始相位为0时,大涡结构演化时无论其扰动速度幅值、高低速条纹结构,流向涡量均随时间的增加而增长,壁面平均切应力明显大于平板边界层流动,近壁平均速度剖面变得饱满;初始相位为π时,诱导形成的大涡结构较弱。壁面局部微振动可诱导边界层内形成大涡结构,大涡结构演化特性与局部微振动初始相位密切相关。     

底层隔板法流体壁面剪切力的测量研究

针对流体壁面剪切力测量难度较大的问题,研制了一种流体壁面剪切力测量元件的底层隔板法,并采用理论推导、数值计算和实验相结合的方法对其性能进行研究.通过公式推导,分析了元件用于流体壁面剪切力测量的原理,找出壁面剪切力和隔板前后压力差的函数关系.实验结果表明:元件隔板前后差压与测得的流体剪切力的幂次方成正比.数值计算结果表明:测量元件的敏感尺寸是迎风薄片高度,高度越大,校准曲线斜率越小,幂次系数越小,而正比例系数越大.对底层隔板法壁面剪切力系数特性的研究,为探索其免标定应用方法奠定了基础.     

贴壁二维方柱绕流对壁面摩擦应力的影响

利用TR–PIV与平行双丝热线,对平板边界层内的贴壁二维方柱绕流流场和壁面摩擦应力的关联进行了实验研究。主要关注方柱下游大尺度流动结构的运动对近壁面流向平均速度零点处摩擦应力的影响(基于方柱宽度与来流风速定义的雷诺数固定为1.1×10⁴)。研究表明,贴壁二维方柱绕流产生了2种典型的流动结构：一为向壁面靠近并接触壁面的近壁流动结构,本文称“I涡”;一为平行壁面沿流向运动的流动结构,本文称“Ⅱ涡”。Ⅰ涡、Ⅱ涡的出现改变了壁面附近流动速度的大小和方向,影响了测点壁面摩擦应力：增大了流向速度梯度,导致摩擦应力陡增;减小了流向速度梯度,导致摩擦应力锐减;改变了摩擦应力方向。本文研究结果可为理解表面冲蚀、污染物聚集、近壁面湍流耗散等问题的机理提供参考。     

MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测

MEMS热膜式壁面剪应力传感器的输出信号是带有基础电压的微弱电压信号，无法通过放大器直接放大的方法实现高精度测量。文章提出在输出信号放大前增加信号平衡环节，在保留有效信号的前提下减小基础电压，再通过放大的方法实现其高精度测量，有效解决了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的难题。文章介绍了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的技术方案、关键技术、测试检验及试验应用实例。     

SL-II型乙烯裂解炉炉内流动特性的研究

乙烯裂解炉底部燃烧器的燃气射流,使炉内烟气流动复杂,烟气温度分布的均匀性较差.为了解实际裂解炉膛内较难观察到的气体流动状态并为裂解炉膛内合理的流动组织提供调整依据,以优化炉内燃烧,通过冷态模型研究了裂解炉炉膛内气流速度场.利用PIV技术测量炉内流场速度,得到了不同工况下的流场图和炉内气速分布规律.结果表明炉内流场主要受底部燃烧器的影响,而侧壁燃烧器由于负荷相对较小,对炉内流场影响较小;底部燃烧器的气体射流在炉膛下部管排两侧各形成一个回流区,由于炉膛结构的影响导致了炉膛上部管排两侧的非对称速度分布.     

优化CVI反应器气体流场的可视化研究

CVI(化学气相浸渗 )反应器内气体的输运对基体的沉积速度与沉积质量有重要的影响。用一套结构简单、可操作性强的气体流动可视化设备 ,对底部进气的等温等压CVI反应器内气体流场进行了模拟研究 ,得到如下结论 :在气体入口处采用涡流器与多孔整流器 ,能消除中心射流并减小上部回流区域 ,扩大反应器的有效使用空间 ;使衬底与气体主流方向成一定的夹角 ,能有效阻止气体边界层的分离     

偏心底吹气体搅拌下冶金熔池水模型内三维湍流的实验研究

用一个圆柱形水模型模拟偏心底吹气体搅拌的冶金熔池,对模型内的三个典型剖面测量了三维速度场和湍流参数分布。方法是用二维激光多普勒测速仪在两个方向上测两次合成。面内的平行速度分布表明小流量偏心底吹熔池内的流谱为正循环流动。垂直速度分布表明,在气水两相流气泡柱附近有两个较强的圆周方向的环流,这种现象在中心底吹轴对称二维熔池流场中是不存在的。在气泡柱附近的区域内,速度模与湍动能值与较远的区域内的值相比要大得多,这就增强了这里的传热、传质和化学反应过程。在这里,气泡柱与壁面间的距离对湍流度的大小有影响,在速度值相近的情况下,较宽的区域内具有较大的湍流度值。     

氢燃料超燃燃烧室流场结构和火焰传播规律试验研究

采用试验方法研究了不同当量比条件下的氢气燃烧流场结构和火焰传播规律。采用壁面测压、纹影、差分干涉、火焰自发光照相以及OH-PLIF等测量手段获取流场信息，并发展了纹影、差分干涉和PLIF同步测量的试验方法，获取了流动结构和火焰的耦合测量结果。结果表明:在所研究的5个状态中，当氢气当量比大于0.17时，燃烧流场结构不稳定，火焰分布呈现破碎状，火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播；当氢气当量比小于或等于0.17时，燃烧流场结构稳定，火焰呈现连续分布，火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。     

矩形转圆形进气道马赫5正8°攻角启动性能分析

在马赫5、正8°攻角状态对收缩比为6.9的带楔形前体的矩形转圆形内收缩进气道进行了风洞试验和数值模拟,研究了该进气道无放气及有放气时在风洞中的启动特性。结果表明,无放气状态该进气道在风洞中并不能顺利启动,不启动状态进气道顶板上存在较大分离区,分离激波被推出内压缩段,此时总压恢复仅为0.378,增压比为54.1,出口马赫数为1.48。通过在内压段的顶板上激波附面层相互作用区域放气后,该进气道可在风洞中正常启动。启动后总压恢复为0.558,增压比减小至44.9,出口马赫数为1.84,放气量约为唇口封闭处截面流量的1.2%。以上研究表明,放气可有效改善内收缩进气道的启动性能,启动后放气量较小,总体性能较优。     

甲烷-空气预混火焰越过不同形状障碍物的实验研究

对甲烷-空气预混火焰越过安装于燃烧室内底壁的多种形状障碍物进行了系列实验。以高速阴影摄影获取火焰阵面变化的序列相片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。结果表明,障碍物的上表面对诱导湍流具有十分重要的影响,而障碍物下游的回旋区会导致火焰的翻卷和弯曲。变形火焰在未燃气体中产生的压缩波在壁面进行反射并在燃烧区反复穿越,也大大破坏了火焰的稳定性。不同形状的障碍物对火焰稳定性的影响呈现的特点不同,但最终均能导致湍流燃烧和加速。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40%左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。     

气液两相分层流剪切应力的不确定度分析

基于水平气液两相分层流的压力梯度、波状液层和气壁剪切应力实验数据,对两流体剪切应力进行不确定度计算,分析各不确定度分量对液壁和气液界面剪切应力结果的影响.由剪切应力可以直接计算分层流动量平衡方程的本构参数,对本构参数的关联作了合理的解释.气液界面剪切应力受液层高度和压力梯度的准确性影响较大,而液壁剪切应力却相反,和气液界面剪切应力最大程度相关.通过和实验数据对比发现,液壁摩擦因子无法像气壁摩擦因子那样可以用单相管流的指数型关系式来描述,而是应该结合气液界面摩擦因子建立一个基于两相各流体特征参数的有效关联式.     

逆流式喷雾场中气液两相流温度测量装置

针对逆流式气液喷雾场的特点,设计了可以同时测量气液喷雾场两相温度的热电偶测温装置.通过光脉动颗粒测试仪,对有无真空泵抽气作用的2种气液分离效果进行了对比验证.在对光强信号波形图信号分析后,实验结果表明:装置增加滤网后能够有效地阻止液滴进入,选择合适的滤网配合真空泵等速抽气测量,可以达到很好的气液分离效果,内部保持无粒子波动信号,从而测出气相温度,而防护罩上方的热电偶可以直接测量液相温度.