用Gao-Yong湍流方程组数值模拟高雷诺数顶盖驱动方腔流

基于有限元方法中的虚位移原理,写出了不可压流Gao-Yong湍流方程组弱形式的微分方程表达式,利用有限元程序自动生成系统(FEPG)得到了全部有限元计算程序。对二维顶盖驱动方腔流进行了数值模拟,得到了方腔内的涡量分布和中心线上的速度变化曲线,并且成功地模拟出了高雷诺数时方腔内的双涡结构,计算结果与文献提供基准解符合良好。进一步证实了Gao-Yong湍流方程组能够准确模拟复杂湍流粘性场,并且为Gao-Yong湍流方程组的工程应用奠定了基础。     

基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法

针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点,提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态（无需对相机进行复杂的内外参数标定）和大尺度粒子图像测速技术（LSPIV）测量二维流场,通过相机像平面与水面之间的空间映射关系,将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上,解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验,有效重构了堰流三维表面形态及流场,其初步结果表明,堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小,转折点大致在自由泄流长度中间位置;在该位置之后,垂向流速占主导;同时该方法可行,计算结果合理。     

风沙流中沙粒浓度分布的实验研究

利用粒子图像测速技术（PIV）,在风洞内对与天然沙接近的石英沙风沙流沙颗粒浓度沿高度分布进行了研究。对 3种不同轴线风速研究结果表明,风沙流中沙粒浓度沿水平方向基本不变,而随高度呈指数衰减,而且其衰减速率与风速密切相关。风速越大,衰减速率越慢;风速越小,衰减速率越快。风沙运动一旦发生时,靠近沙床表面的沙粒浓度随风速变化很小,可以认为趋于稳定,达到最大值。     

应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性

应用粒子图像测速(PIV)系统对横流中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究。介绍了试验原理及装置,讨论了试验参数的选取和粒子的跟随性问题。分析了上游来流的流动特性,显示了亚临界雷诺数下间隙比为0.5时圆柱后尾流区旋涡产生、发展和消亡的动态过程,比较了时均流场和瞬时流场旋涡结构。对圆柱尾迹的旋涡脱落特性进行了分析,得出在试验条件下斯特劳哈尔数保持为常数0.2的结论。     

二维粒子图像测速实验中三维涡旋可测性分析

现今二维粒子图像测速（PIV）广泛应用,为进一步提高PIV测量结果对紊流及水流和泥沙相互作用机理的理解,分析了二维PIV中三维涡旋的可测性。结合涡旋识别的旋转强度方法、坐标旋转定理和紊流经典Burgers涡模型,推导得出:二维PIV能否检测出三维涡旋,主要受涡旋环量和旋涡与测量平面之间的倾角两个因素影响,且仅当涡旋环量大于某一特定值（为倾角的函数）时,三维涡旋才可以被测量出。利用广泛使用的直接数值模拟（DNS）槽道紊流数据统计分析,得出了该条件下倾角和环量的相关曲线与拟合方程;结合环量概率密度累积分布可知,在常规二维PIV实验中,涡旋被测量出的概率越大,相应的倾角也越大,其中以90%、50%和10%的概率被测量出的三维涡旋与测量平面间分别呈20°、11°和5°的倾角。     

线性层结盐水中的羽流运动特性

采用线性层结盐水发生装置以及喷嘴向下以重盐水注入盐水层结的方法,模拟线性层结盐水中羽流的发展过程;应用时间分辨粒子图像测速技术（PIV）,研究线性层结盐水中羽流内部流场结构。羽流的发展过程可以定性地归纳为3个阶段:入射阶段、中性浮力层出现阶段和中性浮力层稳定阶段。实验结果显示:羽流流速从中心区域向边缘逐步递减;羽流在下沉到最大深度后回升到中性浮力层,并向四周扩散;在羽流内部及边界存在大量复杂的涡旋结构,说明在羽流发展的过程中,始终伴随着羽流与周围环境水体之间的掺混作用。重新拟合确定了羽流最大穿透距离公式中的量纲一常数C,取值为4.03。     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

A re‐investigation of the low Reynolds number uniform flow past a porous spherical shell

This work reinvestigates the flow field of a uniform flow past a porous spherical shell based on Song and Huang's (2000) theory of laminar poroelastic media flow with proper boundary conditions. The analytical solution of this study not only indicates viscous effects inside the porous spherical shell, but it also preserves the continuities of tangential velocity and shear stress at the interfaces. The result reveals that as the porosity approaches unity, the flow is entirely comprised of the incident stream; as the porosity approaches zero, the well‐known Stokes' solution of a uniform flow past a sphere with low Reynolds number is obtained. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

明渠紊流中涡结构的运动规律

明渠紊流中随水流迁移的涡结构在传质过程中具有重要作用。为观测涡结构在整个生存期内的运动过程,将两套高频粒子图像测速系统的测量范围沿水流方向拼接,实现流场的大范围测量。将上述方法用于测量摩阻雷诺数为490~870的明渠紊流的纵垂面流场,并结合涡结构跟踪算法,得到了涡的生存时间、运动速度、位移及强度变化等参数。分析表明,涡结构的水平运动与水流同步,但整体有向水面抬升的趋势,在低雷诺数条件下,最大生存时间约10倍涡周转时间,最大垂向位移约0.4倍水深;随着雷诺数的增大,涡结构的量纲一运动速度未发生明显变化,但极限强度和强度变化速率均增大,且极限强度的增加幅度相对较小,使得涡结构的生存时间缩短,纵、垂向位移相应减小。研究结果揭示了生存时间是影响涡结构运动规律的关键变量,初步得到了涡结构运动规律随水流条件的变化趋势。     

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量,统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明:沿射流方向具有3个明显不同的衰减区,依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内,3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关;在垂直挡板影响下,速度半宽值扩展率明显加快,发展更为充分;在水深H~1.75H范围内,射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043,同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感,其扩展率由0.205增至0.270;最大速度衰减对水深的改变并不敏感,且在Ⅱ区加速衰减,衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较,Ⅱ区与之相似,将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。     

横向振动格栅紊流紊动特性试验

建立了一套大尺度格栅紊流试验系统,格栅进行有别于传统垂向模式的横向振动,采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量流速。对瞬时流速的检验表明,该系统产生的紊流场具有较强的随机性和统计规律性。均方根流速在格栅片附近变化较大,在两片格栅中间处趋于稳定,纵向均方根流速明显大于垂向均方根流速,二者比值在1.5~2.0之间,接近天然明渠紊流。雷诺应力在距格栅越近处波动越大,随着距格栅距离的增加而减小,至两片格栅中间处雷诺应力基本为0。时间和长度积分尺度在格栅片处最小,随着距格栅距离的增加而线性增加,至两片格栅中间处达到最大值。流速能谱呈现Kolmogorov理论的-5/3次方规律。本系统生成的紊流场的统计规律与传统的垂向振动格栅紊流较为一致,但纵向和垂向的紊动强度更接近实际,为后续紊流中泥沙和污染物等运动机理的研究奠定了基础。     

低弗劳德数水流二级消力池体型参数试验研究

低弗劳德数水流条件下,二级消力池是解决消能问题的一种有效途径。但至今为止,有关二级消力池的工程应用研究较多,而在体型参数和消能机理方面研究较少。为此,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,研究了低弗劳德数水流二级消力池体型参数及其敏感性。结果表明:消力池的长度、深度和尾坎高度等参数都存在界限值,超出界限值时第一级消力池易于产生波状或远驱水跃,而第二级消力池出池水面波动显著增大。池长小于界限值时,消力池池内流态恶化,消能率明显降低;尾坎高度越低,消波效果越好。优化后的二级消力池消能率明显提高,且二级消力池对尾水位的适应性也显著扩大。引入尾坎高度修正系数ωi,提出了各级池长和尾坎高度的计算公式。