高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时,飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题.这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题,厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导,具有重要的工程实用价值.本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态,开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究,并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比,采用RD (Renard&Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制,对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析,研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律;采用象限分析技术,研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件.计算结果表明,高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小.分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程.分子黏性耗散项主要作用在近壁区,高焓流动的分布与低焓流动存在差异.象限分析表明,上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.     

TRPIV MEASUREMENT OF DRAG-REDUCTION IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER RIBLETS PLATE

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响. 用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态. 结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动. 通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.     

湍流液环柱塞流动的"双边界层"模型

本文应用Spalding的精确内层律,构造了湍流液环柱塞流动的"双边界层"模型,提高了进行该流动摩阻计算的精度....     

含悬浮纤维的聚合物溶液的湍流减阻

人们知道:在湍流条件下,聚合物溶液和纤维悬浮液均能减阻。最近证明:这两种系统的减阻机理明显不同。本研究的目的是证明同时应用上述两种机理可以获得非常低的摩阻系数。在2.4厘米管中已获得的减阻超过95%。而且,没有任何证据表明不可能在最优条件下,获得比这还要令人惊奇的结果。      

旋转液体在边界阻力作用下的衰减特性分析

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理,采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性,采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟,建立了壁面糙率、旋转半径,静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试,验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法,获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程,分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明,边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素,边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快,圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.      

粗糙套管内流体的流动与放热

本文对粗糙套管内水的放热及摩阻进行了试验研究,提出了相应的经验公式.试验表明,放热系数可增加一倍多.此外根据湍流理论还发展了半理论的计算方法,后者能很好地整理大量的粗糙套管的试验数据.     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

管道凸起激波/湍流边界层干扰的数值模拟

采用基于部分平均的湍流方程组,模拟了管道凸起流动中两种不同强度的激波-湍流边界层干扰现象,对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布、边界层厚度和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明基于部分平均的湍流方程组既能够准确模拟小分离的激波/湍流边界层干扰流动又能够准确模拟大分离的激波/湍流边界层干扰流动,较好地预测了典型的λ激波结构.     

添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.      

瞬变流摩阻计算及摩阻对水力瞬变的影响

摩阻损失的精确计算对于长输管道的水力瞬变分析是很重要的一个环节、过去为减少计算工作量，采用固定摩阻系数和流量一阶近似法计算瞬交流摩阻，精度有限．本跟踪液流流态变化，采用变摩阻系数和流量二阶插值法计算瞬交流摩阻，提高了摩阻计算精度．同时，从理论上分析了管道摩阻对水力瞬变的影响，澄清了一些模糊认识．     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦磨损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响．结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩阻材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响．     

表面处理对PTFE和HDPE摩擦磨损的影响——Ⅰ.试验结果

不少研究者都认为聚合物的转移磨损受摩擦副表面能的影响。为了考察材料表面及表面性质对聚合物粘着转移的影响,作者运用不同的对偶材料(45号碳钢、铝及铜)並通过不同的表面处理方法,明显提高了其表面能,用未经表面处理的聚四氟乙烯(PTFE)和高密度聚乙烯(HDPE)与这些处理的和未经处理的金属材料对摩时发现,聚合物的比磨损大致相同,且不受对偶材料表面能的影响。但当对PTFE和HDPE进行表面化学处理后,再与那些处理的金属材料对摩时,其磨损率很低,在稳定磨损阶段,仅为未处理者的1/200左右,並且也与对偶材料的表面能无关。经过表面化学处理后,PTFE的摩擦系数稍有升高,而HDPE的则有所降低。文中还对PTFE的磨损机理进行了讨论。     

碳纤维增强摩阻材料的摩擦损特性研究

利用Ｄ－ＭＳ摩擦磨损试验机研究了自制的碳纤维增强摩阻材料的碳纤维含量、表面状态、强度及长度对其摩擦磨损性能的影响。结果表明：碳纤维含量对摩阻材料的摩擦磨损性能有显著影响,低含量时主要起减摩作用,高含量时主要起抗犁削作用;经过表面改性的碳纤维与粘结剂结合强度较高,能改善摩阻材料的摩擦磨损性能,高强度碳纤维增强摩擦材料具有较好的摩擦磨损性能;碳纤维长度对摩阻材料的摩擦磨损性能和加工性能具有一定的影响。     

水平管道中冰浆流动的摩阻特性的实验研究

本文对冰浆的流动摩阻特性进行了实验研究，并和清水的流动摩阻特性进行了对比，得到冰浆流动摩阻计算的经验公式．     

流体力学在制浆造纸工程中的应用

造纸工业是流体力学的应用领域之一.本文从纸浆流动机理、湍流理论在纸页成形中的作用,中浓纸浆的流体化及涂料流变学等几方面讨论了流体力学在轻工业中的应用.     

两种高分子抗摩涂层的摩擦磨损特性

高分子抗摩涂层是以聚合物基的复合材秆涂复在摩擦面上形成的减摩耐磨涂层。本文论述了高分子抗摩涂层在不同速度、负荷、润滑介质条件下的摩擦磨损性能以及PV值试验的结果,并讨论了涂层材料的组份对涂层摩擦磨损性能的影响。     

煅烧石油焦及六方氮化硼对摩阻材料摩擦磨损性能的影响

在酚醛树脂基摩阻材料中分别添加煅烧石油焦（CPC）及六方氮化硼（hBN）作为摩擦改性剂，研究了2种摩擦改性剂对酚醛树脂基摩阻材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，通过热失重试验分析了复合材料的耐温性能，并利用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌．结果表明：当hBN体积分数为10％～15％时，摩阻材料与树脂基体的粘接强度最强且能够明显降低复合材料的硬度，有助于在摩擦界面生成均匀牢固的润滑膜而起到降低磨损率、稳定摩擦系数的作用；当hBN体积分数超过15％时，由于hBN过饱和及其与树脂基体的相容性差，导致摩阻材料机械强度下降，磨损率增大；随着CPC含量增加，摩阻复合材料的机械强度增加，摩擦磨损性能降低；CPC和hBN的体积分数为12％时能够不同程度地提高摩阻材料的耐温性能及降低其对速度和载荷的敏感性，且含12％hBN摩阻材料的热稳定性最佳，其摩擦磨损性能对速度和载荷的敏感性最小，     

湍流边界层拟序结构的实验研究

20世纪60年代后, 先后从流动显示发现了快慢斑、猝发、上升流、下扫流和多种涡结构等湍流边界层的拟序结构. 它们对湍流边界层的摩阻、传热传质和湍动能的产生等特性有重要影响. 涡结构是上述拟序结构的核心, 它影响其它拟序结构的发展和演变. 发卡涡通常被认为是基本涡结构. 发卡涡等涡结构的再生, 是湍流边界层拟序结构能够自持续的必要的因素.壁面低速流上升产生猝发, 是湍流边界层湍能的主要来源; 条件采样是测量猝发频率和其它拟序结构出现频率的重要手段. 流动显示对湍流边界层拟序结构作了大量定性观察, 有许多减阻和增加传热率等应用性研究在此基础上发展起来. 80年代后, 出现了测量湍流边界层的瞬时流速矢量场的多热线法和PIV技术, 三维PIV技术可望将来为湍流边界层的实验研究带来重大进展. 本文评述了流动显示法、多热线法和PIV技术的优点和不足之处, 以及它们在对湍流边界层拟序结构的研究中的贡献.      

考虑地基水平摩阻的Winkler地基上板模型解析

在Winkler地基模型基础上,采用板与地基之间的水平摩阻应力正比于板与地基接触点间水平位移假设,推演了包含板弯曲和轴向拉压效应的非线性地基板微分方程;应用摄动法分析竖向集中力作用下,板与地基水平摩阻应力对板内力（弯曲力、轴向力和剪应力）、位移（挠度、水平位移）的影响规律,实证了板与地基水平摩阻应力对板剪应力的非线性影响可以忽略不计,从而得到了轴对称条件下计入地基水平摩阻的Winkler地基上薄板的线性微分方程．随后通过汉克尔变换得到了轴对称无限大板的解析解,以及包含四项复宗量贝塞尔函数的轴对称圆形板的解析解,给出了板内力、位移的计算式;最后,通过算例分析了板与地基间水平摩阻状况对板挠度、截面弯矩的影响规律．结果表明：地基板挠度与弯矩随着板与地基间水平摩阻的增大而减少;当地基板水平摩阻参数大于0.01时,地基水平摩阻力对板挠度和弯矩影响有可能超过2%,应予考虑;无限大板作用圆形均布荷载时,水平摩阻的存在最大可使板最大挠度（即荷载圆中心点处挠度）下降约50%,板最大截面弯矩（即荷载圆中心点处弯矩）下降约70%.     

基于虚功率原理的鲹科鱼类波状推进分析

自然界中的大多数鱼类通过波状摆动的方式实现推进,这是动态变形的鱼体和周围流体相互作用的结果,研究推进中流体对鱼体变形的响应不仅可以增强对波状推进的认识,还可以为流动控制提供依据.以鲹科模式推进的仿生二维模型为研究对象,通过数值计算获得鱼体波动产生的流场以及鱼体受到的流体力数据.基于虚功率原理,将鱼体受力分解为4部分,分别是鱼体边界变速运动的瞬时贡献、流场中流体旋转和应变速率相对大小的贡献、壁面剪切应力的类摩阻分量和壁面摩阻分量.结果表明,当鱼体波状摆动产生推力时,鱼体边界变速运动是主要的正推力来源,并且该项80%的推力贡献来源于20%的鱼尾部分的边界变速运动.鱼尾两侧边界层中的流体旋转和应变速率的相对大小和壁面摩阻对推力都是负贡献.对于低雷诺数的情况,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献低于壁面摩阻的负贡献,而在高雷诺数的情况下,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献强于壁面摩阻的负贡献.壁面类摩阻分量相对于其他3项总是较小的.结合标度律分析,在摆动推进的标度关系中,与雷诺数无关的推力部分是由边界的变速运动、流场中流体旋转和应变速率共同提供,且流体旋转和应变速率也贡献了摆动推力中与雷诺数...