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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2023年第3期56卷 267-274页

作者：唐俊闫一天刘岩岩天津大学建筑工程学院天津300350 天津大学港口与海洋工程天津市重点实验室天津300350

针对传统波形壁面因尺度微小所引发的加工困难、维护费用昂贵等问题,设计了一种大尺度的类波形壁面.对虎鲸的皮肤嵴结构进行放大和形貌改良,得到的大尺度类波形壁面可以更好地适用于工程实际;研究了大尺度类波形壁面对湍流边界层的影响... 详细信息

针对传统波形壁面因尺度微小所引发的加工困难、维护费用昂贵等问题,设计了一种大尺度的类波形壁面.对虎鲸的皮肤嵴结构进行放大和形貌改良,得到的大尺度类波形壁面可以更好地适用于工程实际;研究了大尺度类波形壁面对湍流边界层的影响,分析了其减阻效果及减阻机理.采取高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)技术,对光滑壁面和振幅与波长之比分别为2a1/λ=0.033、2a2/λ=0.050、2a3/λ=0.066的3种大尺度类波形柔性壁面湍流边界层流场进行了实验测量,对流场中的时空相关函数进行计算.分析一个波长范围内流向、法向速度及压力分布,发现波形结构下坡段附近的逆压梯度使得流动减速,爬坡段附近的顺压梯度则加速了流动,减速效果最强位置位于波谷,加速效果最强位置位于波谷始末,流场中的速度在两个极值内变化.对不同工况下类波形壁面末尾凹槽下游紧邻平板区域各阶统计量进行了对比,结果表明3种类波形壁面的平均速度剖面于对数区表现出不同幅度的抬升,近壁区平均速度均有不同程度增大;近壁区流场雷诺切应力具有明显的降低,近壁区湍流脉动被抑制,雷诺应力的峰值相对壁面略有外移;3种类波形壁面均具有一定减阻效果,最大减阻率为23.0%.

关键词：波形壁面湍流高时间分辨率粒子图像测速雷诺应力减阻仿生

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尺度仿生波形减阻壁面研究

尺度仿生波形减阻壁面研究

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作者：闫一天天津大学

学位级别：硕士

在交通运输过程产生的阻力中,流体经过固体表面时产生的摩擦占据着相当大的比例。在这一背景下,本文依据仿生学原理及湍流减阻技术,重视减阻壁面在工程实际中的实用性,对虎鲸皮肤嵴结构进行等比例放大与形貌光顺,设计了一种大尺度仿生... 详细信息

在交通运输过程产生的阻力中,流体经过固体表面时产生的摩擦占据着相当大的比例。在这一背景下,本文依据仿生学原理及湍流减阻技术,重视减阻壁面在工程实际中的实用性,对虎鲸皮肤嵴结构进行等比例放大与形貌光顺,设计了一种大尺度仿生类波形减阻壁面,并基于柔性壁面动态形态控制技术开展壁面形态可调的非光滑减阻技术研究,设计了一种大尺度壁面形态可调的仿生半驻波减阻壁面;采用高时间分辨率粒子图像测像技术(PIV),对两种新型大尺度仿生波形壁面的减阻性能及减阻机理展开了研究,主要内容和结论如下:设计了可模拟多种实验工况的实验原型机,原型机主要由敷设柔性橡胶层的铝合金空腔箱体框架与特殊设计的气路循环系统组成。气路的气流循环过程通过连接两组电磁阀的真空泵实现。在气路循环系统的控制下,调节柔性层下方压力来控制原型机柔性层的表面特征。应用PIV技术对水温20℃情况下静态类波形壁面及动态半驻波壁面近壁面的湍流边界层进行了测量,对观测到的时空相关函数进行统计分析。同时,应用CFD进行了与半驻波壁面实验研究中边界条件相同的仿真研究。三种不同振幅波长比类波形壁面的壁面湍流特征PIV测量结果表明,类波形壁面与常规波形壁面对流场的影响类似,一个波长范围内的流场压力与速度的变化趋势存在典型的对应关系,下坡段附近的逆压梯度使得流动减速,波谷后爬坡段范围内的顺压梯度则加速了流动。三种类波形壁面的平均速度剖面具有减阻壁面的典型特征,近壁区流场雷诺切应力具有明显的降低,代表着湍流中的动量交换被法向抬升至远离壁面的区域,近壁区湍流脉动被抑制。类波形壁面减阻性能良好且随着振幅波长比的增加逐渐上升,最高减阻率达到23.0%。PIV测量结果显示半驻波壁面上方流场的平均速度相较于光滑壁面在缓冲区上高,同时对数区上移,实验壁面上湍流度分布峰值略有外移,雷诺切应力降低,湍流中的动量交换减弱,流场内湍流脉动被抑制,实验测得壁面摩擦阻力减阻率为15.4%。仿真结果显示在半驻波壁面振动周期中的壁面下沉阶段,流体剧烈的下沉,在振动单元内部汇聚形成低速流体,起到类似于润滑剂的作用。壁面回弹的半个周期内,低速流体被迅速的抬升并推走,对壁面上流体提供了类似“脉动”的效果。半驻波区域下游很长一段范围内的光滑壁面上切应力的下降依然存在,对应了实验研究中的观测结果。仿真结果显示壁面摩擦阻力减阻率为16.2%,与实验结果吻合良好。本文依据湍流减阻技术与仿生学原理,提出了两种大尺度仿生波形减阻壁面,通过实验与仿真相结合的方法,分析了两种壁面的减阻效果与减阻机理,为易于应用在工程实际中的壁面减阻技术提供了参考。

关键词：减阻湍流边界层高时间分辨率粒子测像技术计算流体力学驻波壁面波形壁面仿生学

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偏置射流冲击波形壁面的水力特性研究

偏置射流冲击波形壁面的水力特性研究

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作者：刘甜甜重庆交通大学

学位级别：硕士

偏置射流作为典型的射流形式,被广泛运用于工程、工业中。目前关于偏置射流冲击壁面的研究大多侧重于冲击直线型壁面,对于冲击到波形壁面上的流动特性研究尚不全面。然而,波形壁面是在偏置射流下游常见的边界条件,如大坝下游的波形河床... 详细信息

偏置射流作为典型的射流形式,被广泛运用于工程、工业中。目前关于偏置射流冲击壁面的研究大多侧重于冲击直线型壁面,对于冲击到波形壁面上的流动特性研究尚不全面。然而,波形壁面是在偏置射流下游常见的边界条件,如大坝下游的波形河床等,因此,开展偏置射流冲击到波形壁面上的水力特性研究,对于优化工程结构设计、防止河床冲刷变形等方面具有重要的参考意义。本文采用二维紊流数值模拟方法研究了48种工况的时均流场和紊动特性。明晰了偏置比、波形壁面振幅和壁面倾角对偏置射流冲击波形壁面水力特性的影响规律。得到的主要成果及结论如下:(1)通过分析流场流线图,发现回流区漩涡中心随着偏置比及壁面倾角的增大均往出流方向运动。此外,回流区长度随着偏置比及壁面倾角的增大均逐渐增加,各工况下壁面振幅对漩涡位置和再附着长度影响规律不同。通过对速度衰减以及紊动特性的分析,发现回流区对其变化趋势存在影响。(2)对各工况下的压力分布云图的分析发现,最大负压均出现在回流区,最大正压均出现在附壁区。其中,对于直线型壁面条件下,压力极值点仅出现在回流区和再附壁区;而在波形壁面工况下,压力极值点广泛分布于冲击区和壁面射流区的壁面轮廓处,且表现出在各波峰出现负压,波谷处出现正压的规律。此外,波形壁面附近压力大小以及压力波动影响范围与壁面振幅大小有关,随着壁面倾角和偏置比的增加,压力极值点数量逐渐减少。(3)冲击壁面后,沿射流出口方向的轴向最大速度(U)衰减、摩擦系数分布变化规律与壁面轮廓相关。当冲击直线型壁面后,沿射流方向的最大速度和摩擦系数的呈近线性衰减趋势分布;而在冲击波形壁面后,则呈与壁面轮廓类似的非线性波动衰减趋势,随着偏置比和壁面倾角的增大,壁面轮廓对最大速度衰减呈波形变化的影响逐渐减弱,沿程U衰减趋势逐渐趋于平缓。此外,随着偏置比和壁面倾斜角的增加,沿程轴向U衰减速率逐渐增大,摩擦系数逐渐减小。(4)在回流区和冲击区的同一位置处,不同壁面振幅下轴向速度分布的变化趋势大致相同,壁面振幅对轴向速度的横向分布影响较小。随着偏置高度和壁面倾斜角的增加,各工况沿程速度呈现出逐渐降低的趋势。在壁面射流区内,在固定的波峰和波谷处的速度分布呈现自相似性,近壁区域的速度拐点随壁面振幅的增加沿横向移动。(5)各工况下射流中心线处紊动强度的整体变化趋势具有一定的相似性,即紊动强度均呈现出沿程先增后减的特征。紊动强度在回流区内的分布会因壁面倾角的增加而发生不同程度的波动。在相同偏置比和壁面倾角条件下,壁面振幅对紊动强度变化趋势的影响相对较小,研究区内紊动强度的衰减速率整体上呈现出随壁面振幅的增加而增大的特征。沿程紊动强度峰值点位于再附壁点处,且其峰值随偏置比和壁面倾斜角的增大而增加。

关键词：偏置射流冲击射流波形壁面水力特性数值模拟

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波形壁面展向振荡减阻研究

波形壁面展向振荡减阻研究

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第九届全国流体力学学术会议

作者：葛铭纬华北电力大学可再生能源学院

光滑壁面展向振荡可取得显著的减阻效果,但人们对复杂壁面展现振荡减阻还缺乏认识。本文采用直接数值模拟对波形壁面展向震荡减阻进行了研究。选用充分发展的槽道湍流作为研究对象,上下壁面采用对称的波形壁面。为考察波形幅值(h/H)的影... 详细信息

光滑壁面展向振荡可取得显著的减阻效果,但人们对复杂壁面展现振荡减阻还缺乏认识。本文采用直接数值模拟对波形壁面展向震荡减阻进行了研究。选用充分发展的槽道湍流作为研究对象,上下壁面采用对称的波形壁面。为考察波形幅值(h/H)的影响,选取h/H=0.01,0.02,0.03,0.05,0.1,0.2六组参数。结果显示,在展现振荡下,流动呈现显著的周期特性。当波形幅值h波形幅值增大逐渐减小;当幅值h>5时,近壁湍流被显著激发,展向振荡减阻失效,平均阻力增加。

关键词：波形壁面展向震荡湍流减阻力直接数值模拟

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波形壁面湍流相干结构TR-PIV测量和POD分析

波形壁面湍流相干结构TR-PIV测量和POD分析

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第七届全国流体力学学术会议

作者：王维姜楠天津大学机械工程学院流体力学系天津市现代工程力学重点实验室中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室

本文使用二维高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)系统对波形壁面湍流相干结构进行了实验研究。壁面几何形状的周期变化诱导湍流场近壁区的速度分布产生了周期性。湍流度的极值显示了流场内附加剪切层的形成与发展。象限分裂法的分析表明... 详细信息

本文使用二维高时间分辨率粒子图像测速(TR-PIV)系统对波形壁面湍流相干结构进行了实验研究。壁面几何形状的周期变化诱导湍流场近壁区的速度分布产生了周期性。湍流度的极值显示了流场内附加剪切层的形成与发展。象限分裂法的分析表明喷射和扫掠事件是主要的雷诺应力贡献者,喷射事件虽然发生概率小于扫掠事件,但是其贡献量大于后者,突出了喷射事件的重要性。对流场速度进行最佳本征分解(proper orthogonal decomposition),各模态能量百分比表明低阶的大尺度模态是湍动能的主要携带者,同时这些模态也是雷诺应力的主要贡献者,在湍流边界层大部分范围内的贡献都很大。

关键词：波形壁面剪切层最佳本征分解相干结构高时间分辨率粒子图像测速仪

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波形壁湍流复涡黏模型时间解析PIV测量研究

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化学工程 2013年第11期41卷 38-42页

作者：张安通姜楠天津大学力学系天津300072 天津市现代工程力学重点实验室天津300072

采用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)在水槽中对不同雷诺数下的波形壁面湍流空间流场进行测量,得到瞬时湍流边界层速度场空间分布的时间序列,分析了雷诺应力分量和平均速度变形率分量的空间分布,发现其在近壁区受波形壁面影响比较... 详细信息

采用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV)在水槽中对不同雷诺数下的波形壁面湍流空间流场进行测量,得到瞬时湍流边界层速度场空间分布的时间序列,分析了雷诺应力分量和平均速度变形率分量的空间分布,发现其在近壁区受波形壁面影响比较大,周期性比较明显,而远离壁面时受壁面条件的影响较小。利用空间互相关技术分析了雷诺应力分量与平均速度变形率分量之间的流向相位关系,发现二者在流向空间上存在相位差,且相位差的分布由壁面向外区从0先逐渐减小,在0.4—0.5波形壁波长的法向位置处达到最小值,然后再逐渐增大,且在一定的范围内雷诺数的变化对相位差的影响并不大。验证了湍流雷诺应力复涡黏性模型的合理性,为建立更加准确预测非平衡湍流的复涡黏性模型提供了实验依据。

关键词：波形壁面湍流互相关技术相位差复涡黏模型

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