管流转捩对比态定律的讨论：层,紊流并存流态转捩现象

转捩对管内流动和换热有很大影响，Ｎ．Ｔ．Ｏｂｏｔ曾在总结归纳圆管、矩形管、三角形管和环形管实验结果的基础上提出对比态定律，并断言：对任意截面管道，只要知道临界摩擦因子和临界雷诺数，根据对比态定律，就可以计算其流动和平均换热特性。本文通过对复杂截面通道流动的研究，指出管流转捩的对比态定律只适用于单一流态管流，而不适用于层、紊流并存管流，文中还分析了层、紊流并存现象及其产生的原因，它的起始点和终止点的判定，以及流动和换热特性计算的处理方法。     

微小矩形通道内流动与换热特性

采用试验和数值模拟方法研究了当量直径为0.633～1.079 mm的微小通道内的流动与换热特性.工质为 液体水,雷诺数Re为100~3 000.试验结果表明,该尺寸范围的通道内层流向紊流转变的临界雷诺数约为1700,层流表观阻力系数和努塞尔数的试验值与数值计算结果吻合良好.最后通过数值模拟对恒定泵功及恒定流 量条件下不同结构参数通道的换热进行了计算,给出了最佳换热结构.     

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。     

高超声速脉冲风洞中带燃料的超燃冲压发动机模型试验

给出了在ITAM最近投入使用的高超声速脉冲绝热压缩风洞AT-303中进行超燃冲压发动机模型实验的结果.实验马赫数M∞≈8,运行时间τ=50~60 ms,雷诺数范围Re1∞=2.7×106~4.0×107,模型表面的边界层自然转捩.在实验中,模型中有燃料供给:把气态氢以超过化学量比率的空气燃料因子注入到燃烧室.提供了足以发生氢燃料自点燃的流动条件.测量了沿进气道楔型压缩面和整个发动机通道上的纵向压力和热流分布.所获数据与同一模型在热射流风洞IT-302M(实验马赫数M∞≈6,8,运行时间τ=100~120 ms,雷诺数范围Re1∞=(1.3~1.8)×106,进气道压缩面和侧压缩面进行了边界层转捩).结果表明:实验模型发动机在两座风洞中进行实验所获得的流态类型相同.发动机刚刚启动时,在进气道入口及其下游的发动机通道内形成超声速流.注入氢后,首先在燃烧室内形成平均流速是超声速的燃烧流动.之后,在燃烧室出口出现热拥塞现象、在进气道扩压段产生伪激波流态.在两座风洞中进行了进气道和发动机通道的流动特征试验,获得了令人满意的结果.     

基于eN转捩预测方法的翼型低雷诺数气动性能分析

小型无人机由于尺寸较小,飞行速度较低,使得绕其机翼的流动雷诺数一般较低,处于低雷诺数范围。由于在低雷诺数流动中容易产生层流分离并转捩为湍流,故准确预测层流分离并预测转捩的发生对气动特性特性的计算至关重要。文章采用基于e~N转捩预测方法的XFOIL软件对两种较为常见的微小型飞行器的共四种翼型在低雷诺数流动中的气动性能进行了计算分析,结果表明CLARKY翼型比Benedek 10355B翼型更适合小型侦察机,而MH114和MH115两种翼型均比较适合小型载重机。     

7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展，给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据，在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型，研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m，迎角范围-10°~10°，马赫数5~7，模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布，获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内，马赫数增大，尖锥转捩位置提前，分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起；随着单位雷诺数的增大，边界层转捩位置前移，转捩雷诺数保持不变，约为3.0×106；小迎角时，随着迎角的增大，迎风面边界层转捩推迟，背风面边界层转捩前移，在10°大迎角时，迎风区中心线转捩前移，出现迎角"转捩逆转"现象，背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

黄原胶水溶液管道流动转捩及不同NaCl质量分数下减阻特性的实验研究

在水平光滑圆管内,采用雷诺实验对质量分数为0～400×10–6的黄原胶水溶液的流动转捩特性进行了观测,并通过实验探究了不同质量分数的盐（NaCl）环境对黄原胶溶液减阻特性的影响,测量了（100～300）×10–6的黄原胶溶液在不同NaCl质量分数（0、250×10–6、500×10–6和1000×10–6）下的减阻率与流动雷诺数（Re）、剪切时间之间的关系。结果表明:以广义雷诺数表征时,黄原胶水溶液管道流动转捩的下临界雷诺数随质量分数的增加而上升,近似呈线性变化,而转捩的上临界雷诺数却迅速降低至3000左右;在高雷诺数下,随着NaCl质量分数的增加,黄原胶盐溶液的饱和减阻率显著降低,但在低雷诺数下的减阻效果优于水溶液;黄原胶水溶液的抗剪切性呈质量分数效应,适量盐的加入能略微提高其抗剪切性。     

旋成体表面沟槽减阻试验研究

在旋成体模型表面粘贴铝基沟槽蒙皮,研究沟槽表面对模型阻力的影响.给出基于来流单位雷诺数的沟槽尺寸无量纲公式,用于设计沟槽齿高和齿宽,依据试验风洞的单位雷诺数范围,选定3种尺寸的沟槽进行减阻试验.结果表明,在旋成体表面湍流流动区域顺流向布置沟槽,当沟槽齿高和齿宽的无量纲值h+、s+均小于25时,在小迎角下具有减阻作用,当s+约为15时减阻效果最明显,可减小约3%~4%的阻力.     

半角7°圆锥马赫数6边界层转捩的自由飞实验

在气动物理靶上开展了半角7°圆锥的边界层转捩测量实验，模型材料为铝合金，表面采用氧化发黑处理或涂覆低热导率涂层，底径33mm，球头半径0.27~2.50mm，马赫数4.89~6.63，单位雷诺数4.8×107/m~5.2×107/m，总迎角0.8°~5.8°，采用阴影和红外辐射成像获得了模型边界层图像和转捩阵面形貌，测得转捩雷诺数介于2.4×106~5.6×106之间.结果表明:转捩雷诺数随迎角增大而减小；一定的球头钝化可以推迟转捩。     

泡状隔板对涡轮叶片内冷通道换热和流阻的影响

为增强涡轮叶片内部通道的换热、减小流动阻力,提出了一种新型的泡状隔板结构。通过实验与数值模拟相结合的方法,研究了等热流边界条件下泡状隔板结构的半径以及形状对通道换热和流阻特性的影响,并与直隔板进行对比,实验结果表明:在研究范围内,对称型泡状隔板结构能够大大减小通道流动阻力,随着泡状结构半径的增大,减阻效果增强;不对称型泡状隔板结构只在半径最大时能减小流动阻力;泡状结构对于换热的影响并不明显。实验结论可以为涡轮叶片内部冷却通道的优化设计提供理论依据。     

管道截面的流速分布参数及其在涡街流量计标定中的应用

本文讨论了标定实验对涡街流量计所在截面流速分布的要求、拟合公式的选用和数据处理，以及使用标定结果时所要注意的问题。提出了一种以测试手段和分析办法相结合的关于标定涡街流量计的新的技术途径，以缩短标定装置的轴向尺寸，降低标定费用。对于充分湍流的圆管流动，根据Ｎｉｋｕｒａｄｓｅ的实验结果，给出了截面平均流速与最大流速之比随雷诺数变化的简洁计算公式。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪(LDV)对直径D 300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布.测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0.5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z>10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显.     

胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

胶囊机器人广泛应用于人体肠道的检查和治疗。根据永磁体法，设计制造了一种磁控光滑胶囊机器人。基于计算流体动力学（CFD）方法，模拟了胶囊机器人在充满黏液的管道内旋进（旋转和平移）时，其周围流体的流场（速度和涡量）；利用粒子图像测速（PIV）技术测量该流场；计算了胶囊机器人以不同转速旋进时，管道内流体流场以及胶囊机器人所受到的阻力、阻力矩和周围流体的平均湍流强度等。最后，还对胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小进行了实验测量。结果表明:1）随着胶囊机器人转速的增大，胶囊机器人四周和下部区域流体速度和流体涡量都略微增大，而其周围流体的流线和涡量分布规律基本相似。2）随着胶囊机器人转速的增大，胶囊机器人前进方向所受阻力矩和周围流体平均湍流强度均增大，而其前进方向所受阻力基本不变。3）实验测量到的胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小与数值计算结果基本相似。     

基于ALE／SUPG同步交替法求解流固耦合问题

该文基于预测一多步校正方法提出了流固耦合ALE／SUPG有限元同步交替求解法。流体动量方程采用SUPG有限元进行空间离散以消除对流项引起的数值振荡;时间域上的积分采用预测一多步校正（predictor—multicorrector）方法,对流体和结构同时进行预测;在多步校正的过程中对流体固体交替求解,从而在时间上达到同步推进。数值算例与Hughes,Chen等人的结果进行了比较,表明了该文方法的正确性。     

D300mm×2000mm圆管内旋转流切向速度特征的实验研究

采用热线风速仪(HWA,Hot Wire Anemometry)测量了D300mm×2000mm圆管内旋转流切向瞬时速度随时间的变化特征.测量结果表明在圆管的中心区域,瞬时切向速度随时间的波动变化较大,而靠近边壁区域瞬时切向速度随时间的波动变化较小,中心区域瞬时切向速度的脉动幅值远大于壁面区域的脉动幅值.通过对瞬时切向速度进行频谱分析可知,瞬时切向速度的波动频率沿径向和轴向基本一致,但在出口区域频率有所增大,圆管内的瞬时切向速度出现低频波动是旋转流的摆动导致的.     

不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究

采用实验的方法,测试了黄原胶溶液在不同直径的光滑管道流动中的减阻特性和管径效应。其中变化参数为:(1)管道直径,共有3种管径,分别为5、10和20mm;(2)黄原胶溶液的浓度,变化范围为50~550 ppm;(3)流速,用广义雷诺数(ReM)来表征,变化范围为0~50000。实验测量了不同参数下的管道压降Δp和体积流量Q,得到了黄原胶溶液浓度与减阻率的关系,以及ReM 数对沿程阻力系数λ的影响,观测到黄原胶溶液减阻具有很明显的浓度效应,即随着溶液浓度的升高减阻率不断增大,直至达到最佳饱和减阻浓度,减阻率基本保持恒定。还观测到黄原胶溶液在不同管径中高低流速下表现出减阻类型的差异。     

矩形管湍流冲击射流场的PIV实验研究

湍流冲击射流在工程和军事工业中都具有广泛的应用。采用粒子图像测速(PIV)技术,在射流雷诺数为20000和喷口-冲击板间距为4倍喷管水力直径的条件下,对矩形管湍流冲击射流场进行了实验测量,得到了主射流区和冲击区附近测量截面上的平均速度和涡量分布。结果表明,由于射流的卷吸及其与环境流体之间的相互作用,使得射流边界处具有很高的涡量;在流场的流出区域存在一个显著的回流区,这是半封闭冲击射流场的特征结构之一。     

天然气绕三角翼旋流的水洞实验研究

天然气绕三角翼产生旋流,使天然气中的游离水滴甩出,附着在管道内壁上,在气流的牵引下沿管道内壁向下游流动,实现了气水分离的目的.通过水洞实验,利用染色液流动显示技术,探讨了流体绕三角翼后产生旋流的可行性.同时,基于均匀设计思想对三角翼的前缘后掠角、后缘后掠角和迎角等几何参数分别做了5个水平的实验研究,均证实了天然气绕三角翼后产生旋流的可靠性,为该技术的应用奠定了基础.     

消防系统中使用的高压喷嘴流体力学性能测量

对一种高压混合气体灭火系统中主要部件及管网的流体力学实验研究工作作了介绍。使用实验方法对高压气体灭火喷嘴的流量特性、非标准(Φ50mm以下)减压孔板的减压特性进行了系统的研究;对复杂管网系统的流动特点进行了初步探讨。为灭火系统的设计和部件选型提供了可靠的实验依据。     

激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究

介绍了在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)激波风洞中进行的摩阻测量技术研究情况。在测量研究中,设计了压电型摩阻天平,为了提高摩阻天平的校准和风洞试验测量结果精度,便于风洞试验和校准之间安装的变换,本项研究的摩阻天平采用一种新结构,也就是测量表面和摩阻天平本体可以分离的分体式结构,由此确保在不同使用场合下,摩阻天平的测量表面或者校准加载块可拆卸和更换。验证性试验是在 CARDC 0.6m 激波风洞中进行的,流场名义马赫数分别为8和10,单位雷诺数分别为2.85×107/m 和1.58×107/m,试验中测量了带压缩拐角的进气道模型表面三个测点的摩擦阻力,也测量了摩阻测点及其附近热流,测量结果表明:模型表面的摩阻和热流与雷诺比拟准则符合得较好。