Liutex-涡定义和第三代涡识别方法

本文回顾了涡定义和涡识别方法的发展历史,着重介绍了作者UTA(University of Texas at Arlington)团队及其合作者在涡科学和湍流研究的一些最新学术创新成果。UTA团队发现了可以定量描述流体刚性转动部分的物理量——Liutex向量,其主要思想是把流体刚性转动从流体运动中提取出来,进而用Liutex来定义和识别涡结构,并已在广泛应用中证明了其作为涡识别方法的优越性。基于Liutex向量可以进一步研究涡量分解、速度梯度张量分解、流体运动分解、湍流结构、湍流生成机理以及旋涡的科学识别,为流体运动学的发展开辟了广阔的研究空间。区别于第一代涡识别方法和第二代涡识别方法,Liutex是一个向量,其方向代表当地转轴,大小代表当地流体刚性旋转角速度的二倍。本文详细介绍了基于Liutex向量的第三代涡的定义和识别方法,包括Liutex等值面、Liutex-Omega等值面、Liutex向量线、Liutex涡核线、以及最新发现的中低雷诺数湍流边界层中的Liutex-5/3幂次相似律,其发现很大程度上扩大了传统湍流能谱幂次律的适用范围,对建立湍流模型具有重要意义。     

可压缩混合层中的大尺度结构及其作用初探

利用粒子示踪图像流动显示技术和粒子图像测速技术(PIV技术)研究了对流马赫数Mc=0.38时可压缩混合层发展早期出现的大尺度结构的形状和特性,并将这些混合现象与湍流脉动场结合起来研究了这些大尺度结构对流动混合效率的作用.将粒子示踪图像和湍流脉动强度场对比以后发现:混合层流动中早期出现的大尺度结构沿着顺时针方向旋转着向前移动;该结构上的流体微元具有高涡量.由于该结构旋转和高涡量产生了较大的诱导速度,加上该结构的非定常性导致在这些大尺度结构频繁出现的区域具有很高的脉动强度,从而可能带来较高的混合效率.     

纵向涡系与湍流边界层的相互干扰

本文从沿主流方向抛物化的雷诺方程出发，应用ｋ－ε湍流模式和差分方法对反向旋转纵向涡偶、同向旋转纵向涡列以及类Ｔａｙｌｏｒ－Ｇｏｒｔｌｅｒ涡系与平板滴流边界层的相干流动作了数值模拟，定性地讨论了这几种流劝的平均流场特性。反向旋转涡偶与边界层相干流场的数值模拟与文献２给出的测量结果作了比较。     

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律。各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献。涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质。     

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D300mm×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。     

叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心趟高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1．94km／s（Ma=5．65）,单位雷诺数4．32×10^7～1．20×10^8m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0．6～2．2mm之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0．3～0．8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明：弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

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.     

无剪切湍流混合层中被动标量扩散的实验研究

研究被动标量在无剪切湍流混合层中的扩散。实验在风洞中进行，用大小网格尺度比为2：1的网格实现无剪切湍流混合层，用烟粒子作为测量用的示踪粒子同时作为被动标量形成浓度场，用PIV测量得到速度场同时用Mie散射测量得到高施密特数的浓度场，由此可以计算得到速度和浓度相关，并用实验数据直接检验大涡模拟中亚格子应力Smagorinsky模式和亚格子质量通量梯度模式。     

高位垂直进气转静系旋转盘腔流场的实验

利用粒子图像测速技术(简称PIV)对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了实验研究.该盘腔由一个旋转盘、一个静止盘及静止的外围盘罩组成.实验结果表明:PIV粒子成像技术可以应用于旋转盘腔结构的流场测试, 在本实验的工况范围内, 大部分区域的流动已为湍流, 两盘间的流动结构明显具有Batch-elor流型的特点, 转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层, 两边界层之间有一个旋转核心, 核心区内旋流系数β比大间隙封闭系统湍流流动时旋流系数的值0.43要小.流量系数和旋转雷诺数的变化对旋流系数β的影响较小, 但转静间隙的变化对β的影响较为显著.      

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明：（1）均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;（2）充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;（3）旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。     

纵向涡对矩形通道内湍流流动特征影响的实验研究

本研究用风洞实验对矩形通道湍流边界层内嵌入的涡发生器参数进行了筛选；测量了单个涡发生器沿纵向对双侧壁面近壁边界层流场的干扰特性和通道嵌入涡偶的流动特性。找出了通道内嵌入涡发生器形成对近壁边界层流场干扰的较理想的涡发生器参数和涡偶的布局形式。     

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。     

湍流减阻新概念的实验探索

本文对当今湍流表面摩擦减阻新概念进行了初步的风洞实验探索。将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔距离固定在平板上,利用自制的悬挂式天平测量了不同风速时的阻力,获得了约１０．２％的减阻效果。实验中分别考察了肋条参数对减阻的影响,使用Ｘ型热线风速仪研究了雷诺应力的型态。从湍流边界层涡结构的观点出发,提出了边界层底部“微型空气轴承（ＭＡＢＳ）”减阻新概念以及涡结构干扰对减阻的影响,并认为平均速度型态的     

无限翼展后掠机翼的三元湍流边界层计算

本文应用零方程的湍流模型,考虑到三元湍流边界层中涡团粘性的各向异性分布,分别对Michel-Schneider模型和Cebeci-Smith分层模型,采用有限差分和牛顿迭代方法,对有逆压梯度的无限后掠平板机翼湍流边界层进行了计算。文章着重讨论了混合长度(在Cebeci-Smith模型中包括内层参数和外层参数)和涡团粘性各向异性系数的影响,并与风洞实验测量值进行了比较。     

LEBU湍流减阻的展向扩展实验研究

利用大涡破碎器（ＬＥＢＵ）测量和考究了跨越平板湍流表面边界层的速度型和动量厚度沿展向的分布，结果表明，ＬＥＢＵ的存在有可能扩大了层内流劝参数沿展向的非均匀性，此外，还介绍了一个两对反向旋转的纵向涡模型，真实存在于风洞的横截面上，影响了展向非均匀性。使用本文介绍的一种沿展向非均匀性处理方法，对表面湍流摩阻估算的民使用摩擦阻力天平直接测量结果基本一致。     

基于MRV的菱形肋柱冷却通道三维全流场分析

在研究核磁共振成像测速（MRV）技术测速核心方法的基础上，成功实现了在10 min内对大宽高比肋柱通道200×100×25个空间点上三维全场速度的测量，并对流场结构进行了深入的解析。将MRV测得的通道中心截面速度分布与粒子成像测速（PIV）的实验结果进行了对比，两者吻合良好。利用MRV测得的空间三维速度分布解析了菱形肋柱与端壁附近复杂的三维流场与涡量场，发现端壁附近流体靠近肋柱时，先向下冲击端壁，仅在肋柱前缘两侧形成马蹄涡，随后绕过肋柱两侧尖角处向上抬升，端壁边界层内的涡，迅速演变为肋柱两侧尖角附近以及下游的剪切层涡。     

空心锥形喷雾与横流掺混特性研究

在空心锥形喷雾与横向气流掺混过程中,大尺度对称旋涡对CVP(Counter-Rotating Vortex Pair)是影响液滴扩散的主要机制,为了研究CVP结构的演变特性,本文开展了空心锥形喷雾与横向气流掺混过程的实验研究,采用PIV可视化技术对不同喷雾状态与横流速度下掺混流场中液滴的扩散与分布特性进行了测量。结果表明:CVP的卷吸夹带作用使雾化液滴主要分布在掺混流场中上部;初始雾化液滴动量较大时,CVP结构尺寸与涡心强度越大,有利于液滴的扩散;横流速度提高时,CVP结构位置上移,尺寸减小,掺混效果变差。采用涡心强度、涡心距与涡心高度三个参数来描述CVP结构强度特征,基于实验测量结果给出了CVP结构上述特征参数的关联式。在横流速度、喷嘴压力和初始雾化粒径3个变量中,初始雾化粒径对CVP结构影响最大,而喷嘴压力和横流速度的影响较小。