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。     

明渠恒定均匀流试验中尾门的影响范围

利用PIV测量了明渠恒定均匀流中离尾门(活页式及闸板式)不同距离的9条断面中垂线的流速分布,分析了尾门对中垂线时均流速、紊动强度、雷诺应力及能谱特征的影响范围.对比活页式和闸板式两种尾门的差异可以发现,闸板尾门对时均流速的影响要明显大于活页尾门,而对于脉动强度、雷诺应力和能谱特征的影响,二者差异可以忽略.对于时均流速,在距离50h后两种尾门的影响均小于1.0%;对于纵向紊动强度、垂向紊动强度及雷诺应力,以4.0%、4.0%、10.0%作为衡量标准,尾门的影响距离分别为35h、25h、30h;对于纵、垂向能谱特征参数k50,以偏差值15.0%、6.0%作为标准,尾门的影响距离分别为35h和40h.     

基于形心主轴的二维DPTV算法

提出了一种根据曝光时间内示踪粒子形成的轨迹图像来确定瞬时流速的数字化方法.将采集到的粒子轨迹灰度图像转化为二值化图像, 对粒子轨迹图像包含的像素点进行了标记.通过确定粒子轨迹图像的形心主轴得到了粒子轨迹长度,根据流场局部区域运动速度基本相同的事实确定了示踪粒子的运动方向,得到了流体的运动速度.应用本文提出的测速算法对槽道流动的瞬时流场进行了测量.对瞬时测量结果进行平均得到的垂向平均流速分布规律与公认的对数率分布规律相吻合.     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

基于PIV技术的沙棘柔性坝影响下水流表面流速沿程变化特性试验分析

基于PIV技术,在野外试验基地,开展了沙棘植物柔性坝对水流表面流速场影响的野外试验.探索在大型野外水流试验中应用PIV技术的可行性.主要分析与讨论了沙棘植物柔性坝作用下水流表面流速的沿程变化特性,以反映沙棘植物对水流的阻滞效应.结果表明:将PIV技术应用于大型野外水流试验研究中是可行的;与无植物的对比段对比表明,植物对水流具有很强的阻滞消能作用,坝前表面流速最大,水流进入沙棘柔性坝后,表面流速迅速减小,水化雍高;受植物排的影响,沙棘柔性坝水流表面流速变化表现出缓慢的波浪型态或曲折的"之"字变化型态;水流流出沙棘柔性坝后,表面流速沿程开始逐渐恢复,并趋向于坝前对比段表面流速分布.本研究可为山区沟道开展以植物为主体的滞流拦沙水土保持生态工程提供理论依据.     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态.为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致.由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应.应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理.对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型.由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流.     

大型煤气柜风荷载的风洞试验及数值模拟

对某大型煤气柜进行了风洞测压试验及风压数值模拟.分析了试验模型表面风压分布及其脉动特性,并同数值计算结果、规范条文中类似断面结构的风压分布作对比.结果表明:风洞试验中由于结构表面分布的工字钢及表面粗糙度的处理,雷诺数效应对表面风压分布影响并不明显,但对表面绕流场分离区的风压值有一定影响.结构的均方根升力、阻力系数在频域表现为宽带谱;采用基于雷诺平均的RNG k-ε湍流模型能较准确地模拟表面平均风压分布,其计算结果同样可为结构抗风设计提供参考;在不同量级雷诺数下数值模拟得到的平均风压分布能反映出雷诺数效应的影响.     

U形渠道机翼形量水槽水跃数值模拟与试验研究

量水槽是灌区常见的特设量水设备,而槽后水力特性是判断其选型是否合理的重要指标之一.以某小型灌区末级灌溉渠系改造工程为原型,针对两种不同工况,采用基于TruVOF方法跟踪自由液面、Favor技术实现网格优化的湍流数学模型,对U形渠道机翼形量水槽水跃问题进行三维数值模拟,分析了水跃的时均流场、共轭水深、发生位置、跃长、断面流速分布以及水跃段能量损失等相关水力特性.采用与原型1∶1比尺的水工模型试验资料对模拟结果进行验证,结果表明,二者吻合较好.通过对实测与数值仿真的共轭水深数据进行统计分析,得到了适用于U形渠道机翼形量水槽水跃共轭水深的近似计算公式.研究结果对机翼形量水槽在平原缓坡灌区末级渠系的应用研究提供了一定的参考和建议.     

端板对二维矩形风洞试验模型气动特性的影响

在节段模型风洞试验中,两端设置端板可以有效减小端部效应对风压分布的影响,从而保证气流在模型周围的二维流动,其中端板尺寸是影响端板效果的主要参数。为了明确不同尺寸端板对矩形断面气动特性的影响,以桥梁节段模型中最常见的3种宽高比（B/H分别为1、5和10）的二维矩形断面为研究对象,通过刚性模型测压试验,研究了端板尺寸对各模型的气动力、风压分布和斯托罗哈数St的影响。研究结果表明:模型的端部效应不仅仅对端部附近的风压有影响,对中间位置处风压的影响也不容忽视,设置端板是获得准确试验结果的重要保证;随着断面宽高比（B/H）逐渐增大,端部效应影响的程度和范围逐渐减小;随着端板尺寸的增大,模型背风面风压绝对值逐渐增大并趋向一稳定值;抑制端部效应的最小端板尺寸与结构的风迎角有关,风迎角增大,所需的端板也相应增大;有无端板对斯托罗哈数St也有明显影响。     

剪切水气界面下湍流特性的实验测量

通过实验研究了受气流剪切但无明显波动的水气界面下的湍流特性。当界面剪切较强(uτ≥0.20cm/s)时,水面边界层中平均流速、速度脉动强度和Reynolds切应力的分布形状与固壁湍流相似,预示剪切水气界面和固壁附近的湍流相干结构是相类似的。另一方面,水面湍流也表现出不同于固壁湍流的细节特征。与自由面湍流不同的是,在靠近剪切水气界面的流场中流向和垂向速度脉动同时受到抑制。     

基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计

针对 MD-82真实客机座舱内现有的壁面条缝型送风口流场平均流速沿座舱轴向分布的不均匀性,提出了一种送风口条缝形芯内结构的设计,使条缝型送风口处气流混合更加均匀,湍流发展更充分,平均流速沿座舱轴向分布更加均匀。并利用热线测速技术,精细测量条缝型送风口流场进行验证。从吹风感舒适性要求出发,利用子波分析,对条缝型送风口流场不同位置的瞬时速度时间序列信号作多尺度湍涡成分分析。结果表明:加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流脉动特征频率始终维持在21.83Hz 左右,而导致人最不舒适的空气速度脉动频率为0.2~0.6Hz,从而证实加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流提高了人体感觉的舒适性。     

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。     

低雷诺数下翼尖涡统计特性实验研究

翼尖涡的统计特性主要包括涡核半径、平均涡量、旋涡切向速度等,其准确测量是翼尖涡控制技术得以有效实施的重要前提。采用二维粒子图像测速技术在水洞中对椭圆机翼生成的翼尖涡尾流场进行了实验观测,测量区域覆盖翼尖涡发展的近场、中远场。针对涡对不稳定运动导致旋涡统计参数失真的情况,采用涡核中心对齐平均（re-centered average）的方法,屏蔽掉涡对不稳定运动对旋涡统计参数的影响,提高了统计结果的准确度。Re-centered average统计结果表明:涡核半径和涡量峰值随流向站位分别呈现出近似符合幂函数的增长和衰减规律;旋涡不稳定运动的振幅随机翼迎角增大而减小,表明涡对抵抗扰动的能力随涡强度的增大而增强。     

发动机进气道天然气/空气混合流场的纹影显示

研究天然气/空气在发动机进气道中的混合特征以及喷射压力、流速和喷嘴布置对混合效果的影响.采用抽吸式风洞进行实验研究.进气流量由矩形通道中的喉道(声速面)控制.采用纹影对天然气/空气流场进行光学显示,得到了不同喷射压力、喉道高度和喷嘴布置(单列6喷嘴和3列18喷嘴)条件下的流场纹影照片.结果表明对指定喷射压力、喷嘴布置压力工况,当喉道高度为7.1mm,节流阀角度小于64.87°,天然气/空气混合流场与节流阀开度无关;当喉道高度为16.4mm,节流阀角度小于51.38°,天然气/空气混合流场也与节流阀开度无关.喷射压力和喷孔数决定着天然气的流量.尽管支架会引起流动阻力,影响进气效率,但支架喷射的混合效果要比壁面喷射的效果好.天然气流量由喷射压力和喷孔数决定,未观察到天然气向支板上游的气流中扩散.     

PIV技术在近水平油水两相流研究中的应用

自行研制了用于油水两相流研究的PIV(粒子图像速度仪)实验系统.该实验平台主要用于研究近水平油井测量仪器内的油水两相管流.分别对水平油水两相流中的分层流和分散流的速度场进行了测量.油水两相流流动速度分布与单相流有着明显不同的特征.油水分层流情况下油相和水相之间存在比较显著的速度滑移.而在水包油分散流的情况下,由于油滴平均直径在径向上的不对称分布,以及小油滴具有更好的跟随性等原因,油滴的轴向速度也呈现不对称性.PIV技术在油水两相流研究中展示出良好的应用潜力.     

T型靠背风速管研制及其在动车组流量测试中的应用

为解决动车组底板和部分通风通道流速方向变化、安装空间狭小而无法采用传统测速仪器的问题,研制了一种新型具有较佳全压孔形式的微型T型靠背风速管,通过风洞试验标定的方法分析了不同弯管段长度、不同风偏角以及不同空气流速对流速管流速系数的影响,并在动车组新风通道流量测量的实车试验中对其工作特性进行了验证。确定了弯管段最佳长径比为L/D=2,该结构尺寸下,随着动压的改变,流速系数波动不明显,最大变化率为1.34%,平均流速系数为0.741;风偏角在10°范围以内变化时流速系数变化不大,最大相差6.12%;在动车组新风通道流量测试的实车试验中,测得的流量值与额定风量值之间的最大误差为4.03%。这种新型靠背管结构尺寸简单且具有双向性的特点,对流速及风偏角变化敏感程度较小,工作稳定可靠,测试精度较高。     

撞击流混合器内速度脉动的间歇性分析

应用激光多普勒测速仪(LDA),对撞击流混合器的流场速度进行了实验测量.利用小波变换模极大值方法与分形理论结合,对撞击流混合器撞击区的速度脉动信号进行多重分形分析,计算其轴向和径向速度信号的间歇性指数,并与相关流动特性进行关联分析,探讨撞击流混合器撞击区非线性、非均匀性和混沌特性机理.通过分析同一转速不同位置和同一位置不同转速下的信号得出:撞击流混合器内部流体流动具有多重分形的特性,通过间歇性参数随位置变化出现的最低拐点可以判断混合器内部流体运动特征,得出流型的转变区域;转速对撞击区的影响大于对回流区的影响.为揭示撞击流混合器的流动机制提供了一种新的方法.     

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.     

PIV技术在涡轮叶栅内流场试验中的应用

对三种高环流系数叶片叶型和五种相对节距的涡轮叶栅进行内流场试验研究,在研究中采用粒子成像测试技术(PIV),获得叶栅内S1m流面的全流场流动信息,并采用拓扑图论原理经计算机进行图像处理,获得S1m流面的速度矢量场和旋度场。对所获得的叶栅内流场分析表明,随着涡轮环流系数的增加,液体流经叶栅的能量损失增大;随着叶栅相对节距的增大,叶栅内脱流区增大、漩涡区的旋度值随之增大。该研究结果将给涡轮叶型的设计提供有价值的参考。