应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(2)二维后向台阶流起动流的研究

利用PIV技术，对二维后向台阶起动流的瞬态速度场进行了观测。得到层流至湍流情况下起动流的一些运动规律。本文分析了流动中起动涡等旋涡的运动和发展特征。分析了起动流过程中再附着点的位置、起动涡等旋涡涡心的位置等的变化规律。     

带自由表面后向台阶流的数值模拟研究

后向台阶流是工程领域中一类常见的流动现象,也是流体力学中复杂剪切流动的一个典型例子。针对自由表面对后向台阶流场的影响,在总结前人研究成果的基础上,本文利用VOF方法追踪自由表面,采用realizable k-ε紊流模型封闭控制方程,建立立面二维数值模型,对带自由表面后向台阶流进行了模拟研究。模拟得到4种特征雷诺数工况下,台阶后纵向流速、紊动能、耗散率、边界压力值和水面流速的沿程分布。模拟结果与原型实验观测结果吻合较好。根据模拟结果,对台阶后流场随特征雷诺数变化的规律以及自由水面对台阶后流场分布、漩涡结构和压力值的影响进行了分析讨论。     

二维矩形突起物绕流流动结构的实验研究

流场中旋涡的生成、演化与二维矩形突起物上游的流动分离有着密切的关系,该文利用PIV技术,对在均匀来流条件下无压流流道内底壁矩形突起物流动的二维瞬时流速场进行了测量,得到了湍流情况下,不同台阶比（h1/h）为2和4时流场中旋涡的生成发展与演化的一般规律。文中分析了两种工况下流场中的旋涡结构的特点和突起物上、下游及顶部旋涡的运动特性和细部特征。     

应用PIV研究带自由表面的后向台阶流流动特性

利用粒子图像测速(PIV)技术,对Re在450~4490之间的16种工况下的二维后向台阶定常流动的流场进行观测,并与文献资料的结果和数值模拟的结果进行比较,得到在此Re范围内的台阶后再附着长度Xr随Re变化的规律,以及台阶后流速分布和水面线位置等特性,对实验过程中所出现的粒子跟随性问题和存在自由表面的问题进行了讨论。     

后向台阶流动研究综述

综述近年来后向台阶流动研究的进展及现状。对研究台阶后再附着点位置、时均流动的漩涡结构、起动涡、雷诺应力和剪切层中大涡结构等重要成果进行了归纳；对大涡模拟在后向台阶流动中的研究状况进行介绍；对现有的研究方法及存在问题进行分析，并指出了进一步的研究方向。     

基于k-ε紊流模型的后台阶流流动特性研究

后台阶流是几何结构简单而流态复杂的流动现象.采用二维k-ε紊流模型对后台阶水流流动进行数值模拟,并结合PIV系统测得的雷诺数,对Re=500~50 000范围的台阶后定常流动流场数据进行对比分析研究.结果表明流场结构存在稳定的回流区,回流区长度随着Re的增大先急速上升,然后又急速下降,最后缓慢回升直至稳定.断面速度受回流区影响较大,峰值随断面的往下游推移逐渐减小,随Re的增加,断面速度也缓慢减小.压力、紊动能的分布也受到回流区的影响,其中紊动能在低雷诺数情况下受回流区的影响较小.     

带自由表面的后向台阶起动流的流场模拟

对雷诺数Re=1350带自由表面的后向台阶起动流进行数值模拟,得到其自由表面、再附着长度以及台阶后分离涡涡心位置随时间变化的规律,并进一步讨论了自由表面的波动和台阶后大尺度涡结构的产生、发展及溃灭的过程对再附着长度的影响。     

前缘倒圆角方柱绕流的大涡模拟

该文基于FLUENT软件采用大涡模拟方法对前缘倒圆角方柱绕流的气动特性进行数值研究。首先分析网格质量对二维大涡模拟结果准确度的影响,得出适用于钝体绕流大涡模拟计算的网格标准;然后对比二维和三维大涡模拟计算的升阻力系数、脱落涡频率、回流区长度和瞬态流场旋涡结构,以及尾迹速度分布,并与实验结果对比。最后得到二维和三维大涡模拟方法在钝体绕流非定常特性研究中的适用性。结果表明:二维和三维大涡模拟均能捕捉流场中大尺度旋涡结构,预测的脱落涡频率与实验偏差均小于0.4%;三维大涡模拟结果相比于二维大涡模拟与实验结果更加吻合。     

二维管壁凸体层流绕流计算

本文应用拟合坐标系和有限解析法分析计算二维管壁凸体的层流绕流。计算了台阶绕流的流速场,其结果与试验资料吻合。文中还预报了半圆柱凸体的绕流。发现分离点随雷诺数的增大而向上游移动,当Re>130时,分离点的位置不再改变。     

二维浅水流动的旋涡动力学问题探讨

导出了二维浅水流动的涡动议程与速度环量的随体导数表达式，以此为基础，分析了二维浅水流动中旋涡的动力学性质；阐明了离散涡方法（DVM）发展中的前沿问题，并对DVM在二维浅水流动数值模拟中的应用前景进行了展望。     

EXPERIMENT STUDY ON SEDIMENT INCIPIENCE IN BACKWARDFACING STEP FLOW

Flow over a backward-facing step was studied to investigate the effect of large-scale vortex structures on sediment incipience. The transient flow velocity field at the downstream of the backward-facing step was obtained using the technique of Particle Tracking Velocimetry (PTV). The optical amplification technique was employed to measure the instantaneous flow velocities near the bed and the instantaneous bed shear stress was given. The experimental observations revealed a new insight into the oscillation of the large-scale structure and the three-dimensional characteristics of the flow. In particular,very high turbulence intensity,instantaneous horizontal velocity near the bed and the bed shear stress near the reattachment point were observed. The sediment incipient probability obtained from the sequent images of sediment particles near the bed indicates that the critical instantaneous shear stress of the sediment incipience is independent of flow conditions.     

计算非均匀来流绕圆柱定常流动的流线：等涡量线迭代法

本文提出一种流线与等涡量线交替迭代的方法,用来计算速度剖面为折线的来流绕圆柱体的无分离流动。算例结果说明该方法可行。     

超空化水翼流场的DPIV实验研究

该文采用DPIV粒子成像测速系统对绕2D超空化水翼(Tulin翼)的空化流场进行了测量,研究了初生空化阶段,附着型片状空化阶段,空化云以及超空化四个阶段典型流场的速度分布及涡量分布。实验结果表明:在空化发展的四个阶段,相对于主流区域,空化流区域速度明显偏小;在整个流动区域,有两个速度梯度较大的区域,一个是空化区和水体主流区的交界面,一个是翼形表面的边界层区域。在空化发展的四个阶段邻近翼型尾部处均会产生一个大小近似相等的正向涡和一个反向涡,并且正向涡总是处于反向涡的下方,形成一组正向对涡。     

绕水翼超空化流发展及其旋涡特性的实验研究

为深入了解超空化流场结构特性,利用数字粒子图像测速(DPIV)和高速全流场显示技术,观测了绕hydronautics水翼的超空化流动涡量场。采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构。结果表明:在超空化的不同发展阶段,流动涡量场呈现不同的分布特征:随着空化数的降低,上下涡带逐渐靠拢,并向后延伸、拉直;下涡带随空化区域内汽相和水汽混合相分布的不同而发生明显变化:空穴形成阶段的下涡带基本稳定;在两相共存阶段,汽相和水汽混合相的频繁转换使得下涡带的起始位置和形状发生剧烈的变化;而在超空化完全发展阶段,下涡带又趋于稳定,且起始位置移至水翼后部。在整个超空化阶段,汽相和水汽混合相之间存在着较大的速度梯度;与来流方向相比,垂直于来流方向的速度脉动要大得多。     

Physical and numerical modeling of swirling flow in a scroll vortex intake

Scroll vortex intakes are hydraulic structures commonly used in water supply, drainage and sewerage systems. Water flows into the intake via an eccentric approach channel and a vortex chamber imparts swirl to the flow, leading to a stable air core vortex along the dropshaft. Although much effort has been devoted to investigate the scroll vortex flow, yet the understanding on its hydraulic characteristics is still far from complete due to a lack of detailed velocity field measurements. This paper presents the first comprehensive measurement of the three-dimensional (3D) flow field of a scroll vortex intake using non-intrusive Laser Doppler Anemometry (LDA). A validated 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) model with the Volume-Of-Fluid (VOF) method is developed for interpreting the measurement. It is found that the vortex flow in the scroll chamber resembles a free vortex and the circulation is approximately equal to that at the chamber inlet, with a thin bottom boundary layer. The vortex flow at the bellmouth outlet possesses a circulation constant smaller than that in the chamber, and its vertical velocity component is approximately constant across the flow thickness.     

旋流排螺装置内水流特性数值模拟

旋流排螺装置借鉴旋流排沙的原理,通过装置内产生的螺旋流使水和钉螺分离。为了探明装置内水螺分离机理,必须研究其流场全面图景。采用雷诺应力模型(RSM),结合流体体积函数(VOF)方法对旋流排螺装置的水气两相流进行三维数值模拟研究,并分析研究二次流分布特性。计算的自由水面和三维流速分布均与试验结果吻合较好。计算结果表明:切向流速分布呈现强迫涡特征,流速随半径的减小而减小;隔板能够抑制边壁处向上运动的水流、减弱携钉螺溢出的二次环流,对钉螺的有效排除有着关键作用。研究成果可为控制涵闸渠道钉螺扩散,改进旋流排螺装置提供技术技撑。     

平面旋涡(中心型奇点)水力特性的探讨

本文讨论了平面旋涡(中心型奇点)的水力特性.说明了这种旋涡的中心被封闭的流线所包围，中心点的流速为零，封闭流线为椭圆曲线；给出了旋涡内流速与压强，旋涡的环量、涡量以及角动量的表达式；建立了旋涡水力参数和主流水力参数的连接条件，包括两个运动连接条件和两个动力连接条件；将得到的理论结果应用于侧墙突扩或跌坎流，得到的旋涡中心压强表明，在一般明渠条件下，主流流速大于20m/s时旋涡区有可能出现空蚀；应用于水跃时发现，跃长与跃高之比和突扩流旋涡的长宽比基本相同，估计了水跃旋滚区的紊流运动粘滞系数；应用于交岔渠道的旋涡时，指出了旋涡宽度与渠宽之比必须小于0.160，给出了一个数例