流动环境中三维圆形垂直浮力射流特性实验研究

为了揭示流动环境中三维圆形垂直浮力射流的规律,运用MicroADV流速测量系统和温度测量系统对不同射流——来流流速比情况下的圆形垂直热水浮力射流进行了实验研究。在对试验所得的速度场、温度场资料进行整理的基础上,对流场的流动结构,射流中出现的分叉现象,射流轨迹线,湍动能等时均特性和紊动特性进行了分析。认为基于最大速度和最高温度的射流轨迹线是不同的,射流横断面上两高温区的夹角的范围同前人在空气中所作试验是一致的。表明试验结果是可信的,可以用于揭示圆形浮力射流的规律和数值模拟的验证。     

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。     

湍流边界层近壁区马蹄涡拟序结构的数值模拟与分析

采用大涡模拟对低雷诺数槽道湍流进行了数值模拟,进口边界条件采用了给定扰动波方法,经过短过渡段得到完全发展湍流.计算中采用了动态亚格子模型和预处理技术,进口采用的动量厚度雷诺数是670.大涡模拟对计算得到的平均速度剖面以及脉动分量与DNS解进行对比,验证了计算结果的可靠性.计算结果显示了湍流场中马蹄涡的形成及演化过程,其中包括形成单腿马蹄涡和形成对称涡腿的马蹄涡,同时发现流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象,并在此基础上分析了湍流边界层近壁区马蹄涡结构的演化.     

子波变换在实验流体力学中的应用

介绍了子波分析的历史、基本知识以及在实验流体力学方面的应用。讨论了子波变换在客观辨识湍流边界层相干结构方面的应用。作者用子波变换的方法提出了确定湍流边界层相干结构挥发时间尺度的能量最大准则，提取了相干结构对应的速度信号波形。用于波变换研究了湍流边界层脉动速度信号的局部奇异性行为，发现相干结构发生处脉动速度信号的局部奇异性指数为负值。     

超声速冲击射流的PIV实验研究

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器(STOVL)等航空航天领域,然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题,笔者采用PIV(粒子图像测速)技术对超声速冲击射流的流场结构和涡结构进行了深入研究.实验发现在不同的冲击工况下,冲击射流流场结构呈对称和螺旋结构,其瞬时流场的主涡结构也有类似特征,脉动流场在瞬时流场主涡结构的基础上会附加与主涡旋转方向相反的次涡结构,在对称和螺旋两种模态下,由于涡结构的影响,冲击射流的近壁速度存在较强的脉动.     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术(LIF)和二维高速粒子图像测速技术(TR-PIV)对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法(POD)对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re =5600,淹没深度 H/D =4。LIF 实验结果表明:自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明:射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。     

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。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系.实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱.     

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.     

用PIV技术研究四角切圆锅炉燃烧器区冷态燃烧流场的湍流积分尺度

四角切圆锅炉内煤粉的燃烧过程对提高锅炉运行效率及NOx减排有着显著的现实意义.通过搭建四角切圆锅炉冷态模型,利用粒子成像测速技(Particle Image Velocimetry),采用空间相关分析方法,针对燃烧器区四角射流复杂湍流的涡拟序结构,开展基于湍流积分尺度来表征的3个典型水平层面涡尺度分布规律研究.通过对湍流积分尺度和时均速度的相关分析研究,认为冷态燃烧器区湍流涡尺度分布不仅与风口流速相关,同时还与风层位置密切相关,并不与风口流速呈线性变化规律,上一次风层涡尺度分布与其它两个风层的相比存在很大差异,因此湍流积分尺度的研究对煤粉高效洁净燃烧具有一定的理论指导意义.     

加齿调控个性化风口流场多尺度湍涡结构的实验研究

客机座舱个性化风口是座舱环控系统中重要的送风单元，其主要作用为快速通风、换热，对乘客的热舒适起到改善作用，但现有个性化送风常引起乘客头部的强烈吹风感。本文通过对现有个性化风口进行边缘加齿的优化设计，调控风口流场中不同尺度的湍涡成分，降低吹风感，从而获得使人体更为舒适的气流流场。实验中使用高时间分辨率热线风速仪，精细测量安装不同尺寸加齿喷嘴的风口流场，采用子波分析的方法对流场多尺度湍涡成分进行分析，对比不同尺寸大小的加齿喷嘴对个性化风口流场多尺度湍涡成分的调控效果，得出齿尖间距离为5mm时，个性化风口的送风使人体更舒适。个性化风口圆环射流经过加齿调控，增强了动量、能量和质量交换，降低了含能尺度的湍流强度，从而降低了吹风感，提高了流场的舒适性。     

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。     

矩形长宽比对射流中心线湍流特性的影响

采用热线风速仪技术，测量了在出口雷诺数15，000条件下的不同长宽比（AR=1~15）矩形射流中心线速度场。主要分析了矩形射流中心线上平均速度、频谱、湍流尺度等变化规律。结果表明:随着长宽比的增加，射流的脉动速度和湍流度在出口之后会显著增强，反映了卷吸周围流体能力显著增强。随着射流向下游发展（x/D_e>30），不同长宽比的矩形射流湍流能谱、概率密度函数、湍流尺度等统计量逐渐趋近于圆形射流规律，这是由于射流演化遵循动量向周围流体更高效传递的原理。     

从壁面脉冲到湍流相干结构演化的数值模拟

发展了高效求解基于Navier-Stokes方程的扰动方程高阶紧致差分方法，研究了壁面强脉冲到湍流相干结构的复杂演化过程。该方法采用高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式，以及和高阶时间分裂法相结合因而更为有效，比一般谱方法更适用于较为广泛的流动区域和边界条件的湍流相干结构研究。中模拟了槽道流动中壁面强脉冲诱导的湍流相干结构的产生、发展和演化过程，显示了湍流相干结构的基本特征和发展规律．计算结果表明，所用壁面强脉冲模型比共振三波模型更有效．     

通过矩形喷嘴的非稳定液体射流

绍了关于用矩形喷嘴进行的瞬态液体射流的实验研究结果。流动显示演示了在喷流过程中液体射流的种种不稳定现象。笔者推广了Ryhming的理论模型，计算了喷嘴出口的射流速度，并与实验结果进行了比较。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响，以及拓宽湍流场的强度和尺度范围，发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场，得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围，并能利用不同几何结构产生多种可控流场，实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构，利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术，开展了湍流燃烧实验，结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L，0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区，火焰面破碎程度明显增强，孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下，积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用，可能存在临界宏观雷诺数Re_c，能够表现流体惯性力占主导地位的程度，决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大，扰动能力强，故积分尺度越大，火焰体积越大；但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈，小尺度叠加在大尺度上的程度增强，最终也使火焰体积显著增大，掩盖了积分尺度对火焰体积的影响，说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

单头部燃烧室流场PIV试验测量

航空发动机燃烧室内流场结构直接影响燃油雾化、油气掺混以及燃烧性能,本文采用粒子图像速度仪(Particle image velocimetry,PIV)对某单头部基准燃烧室内的冷态流场和燃烧流场分别进行了试验测量。在冷态流场试验中,研究了进口空气流量变化对燃烧室内的流场结构、回流区尺寸大小变化的影响规律;而燃烧流场试验测量分别研究了进口空气流量和油气比变化对燃烧流场结构的影响。试验结果表明:由于下壁面中间主燃孔进气射流的强烈影响与挤压,导致旋流器出口处横向截面上的旋转气流不是一个完整的旋流气流;燃烧流场与冷态流场相比,其流场结构基本相似,但中心回流区宽度稍变瘦,随着油气比的增大,中心回流区逐渐变瘦,宽度变窄;随着油气比的增加,轴向速度逐渐变大、回流负速度变大;燃烧流场测量中,在燃烧室头部较好地捕捉到喷嘴喷出的油雾锥上油珠的速度大小。     

囊腔液体受挤压和抽吸时内流场 PIV 实验研究

主动脉旁反搏装置作为治疗心力衰竭的心脏辅助装置,装置腔内的流场结构对装置的机理分析及优化设计具有重要作用。将主动脉旁反搏装置简化为液囊模型,利用粒子成像测速仪(PIV)对液囊内流场进行测量,选取3种液囊截面,每种截面取3种抽吸频率和3种吸气量,共27种工况,采用整体平均法对实验数据进行处理,得到了平均速度矢量图和湍流切应力图。结果表明:装置腔内流场主要是以旋转的形式存在,在装置进出口附近存在二次流动,而且进出口的位置对内部流场影响较大,同时进出口附近流体的动量交换较为强烈,呈现出较大的雷诺应力,另外进出口附近流体流动能够同步响应抽吸频率,且湍涡中心点随时间在不断地移动。     

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

为解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较,分析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果表明:喷嘴中心、内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场;喷嘴中心、内环、外环喷出的气流速度接近一致时,流场比较稳定;喷嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时,工件表面出现漩涡,破坏了流场的稳定性。