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含颗粒槽道湍流的瞬态增长

含颗粒槽道湍流的瞬态增长

中国力学大会（CCTAM2019）

作者：宋洋许春晓黄伟希王丽丽北京应用物理与计算数学研究所清华大学

含颗粒湍流是自然界常见的流动现象,具有重要研究价值。已有关于含颗粒湍流的实验和数值模拟发现,湍流相干结构与颗粒输运过程存在显著相互作用。因此,研究含颗粒湍流中相干结构的动力学机制及相干结构与颗粒输运的相互作用十分必要。... 详细信息

含颗粒湍流是自然界常见的流动现象,具有重要研究价值。已有关于含颗粒湍流的实验和数值模拟发现,湍流相干结构与颗粒输运过程存在显著相互作用。因此,研究含颗粒湍流中相干结构的动力学机制及相干结构与颗粒输运的相互作用十分必要。这里拟以不可压缩含颗粒槽道湍流为研究对象,采用双向耦合Eulerian-Eulerian方法建立含颗粒槽道湍流瞬态增长模型。并以此为基础探究含颗粒槽道湍流中湍流相干结构的动力学机制以及相干结构与颗粒分布的相互作用。结果表明,含颗粒槽道湍流中颗粒最优结构呈条带分布,其主要形态和位置特征与实验和数值模拟中观察到的颗粒条带一致。进一步研究了高雷诺数情况下大、小尺度最优结构的形态特点,发现颗粒场小尺度最优结构位于粘性底层且尺度不随雷诺数变化,而颗粒场在外区不存在显著的最优结构。

关键词：槽道湍流含颗粒湍流瞬态增长相干结构

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基于伪谱的系统瞬态分析与鲁棒控制器设计

基于伪谱的系统瞬态分析与鲁棒控制器设计

作者：李继明东北石油大学

学位级别：硕士

在控制系统的性能分析与控制器的设计过程中,希望可以迅速地观测系统的性能,并且在保证控制效果的前提下,减少控制器的阶次。但是传统方法显然在这些方面都很难达到设计者的预期要求,在伪谱理论框架下,本文针对连续系统和离散系统分别... 详细信息

在控制系统的性能分析与控制器的设计过程中,希望可以迅速地观测系统的性能,并且在保证控制效果的前提下,减少控制器的阶次。但是传统方法显然在这些方面都很难达到设计者的预期要求,在伪谱理论框架下,本文针对连续系统和离散系统分别采用伪谱横轴和伪谱半径分析系统的瞬态过程,并根据性能指标与鲁棒性之间的关系分别设计了具有阶次约束的鲁棒控制器。首先,基于伪谱、伪谱横轴和伪谱半径的基本理论,将伪谱横轴与伪谱半径分别引入到连续控制系统和离散控制系统中,并据此定量分析它们与系统鲁棒稳定性之间的关系。特别是,基于伪谱横轴与范数之间的关系,分析了系统的瞬态特性与鲁棒稳定性之间的关系。其次,在连续系统中,运用伪谱更快地预测系统的瞬态过程中是否会出现瞬态增长,以及运用伪谱法设计具有阶次约束的控制器。利用伪谱横轴来预测系统的瞬态增长,并根据系统的收敛速度来判定系统的鲁棒稳定性。选用一个典型的光电跟踪伺服系统作为设计对象,运用伪谱横轴作为控制器设计的目标函数,设定控制器的阶次以及允许的扰动参数ε,然后求出优化控制器。通过跟踪不同频率的正弦信号,分析了系统的跟踪性能;通过加入不同大小的扰动,分析了跟踪系统的抗干扰性;通过加入白噪声分析了跟踪系统对白噪声的抑制能力。为了验证控制系统的鲁棒性,分析了摄动系统的跟踪性能、抗干扰性以及噪声抑制能力。仿真实验表明控制系统具有良好的跟踪性和抗干扰性。最后,在离散系统中,运用伪谱来观测离散系统的瞬态过程,以及利用伪谱法优化系统控制器参数及阶次。利用伪谱半径来预测系统的瞬态增长,并根据系统的收敛速度来判定系统的鲁棒稳定性。选用一个直流电机作为设计对象,运用伪谱半径作为控制器设计的目标函数,设定控制器的阶次以及允许的扰动参数ε,然后求出相应的控制器。通过跟踪不同频率的正弦信号,分析了直流电机系统的跟踪性能;通过加入不同大小的扰动,分析了直流电机系统的抗干扰性;通过加入白噪声分析了直流电机系统对白噪声的抑制能力。为了验证控制系统的鲁棒性,分析了名义系统引入摄动项后的跟踪性能、抗干扰性以及噪声抑制能力。仿真实验表明控制系统具有良好的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标。

关键词：瞬态增长伪谱伪谱横轴伪谱半径阶次约束

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低强度磁场作用下Hunt流的稳定性分析

系统仿真学报 2019年第8期31卷 1605-1616页

作者：董帅李爽叶学民华北电力大学能源动力与机械工程学院

矩形管道内导电流体在磁场作用下的流动稳定性对材料的制备、热核聚变冷却系统的设计和运行均有重要意义。采用非正则模态稳定性分析方法,对Hunt流进行了数值模拟,获得了4种模态下初始扰动的增长特征及空间分布,分析了低强度磁场对流动... 详细信息

矩形管道内导电流体在磁场作用下的流动稳定性对材料的制备、热核聚变冷却系统的设计和运行均有重要意义。采用非正则模态稳定性分析方法,对Hunt流进行了数值模拟,获得了4种模态下初始扰动的增长特征及空间分布,分析了低强度磁场对流动稳定性的影响。结果表明,哈特曼数Ha较小时,4种模态下的扰动均呈瞬态增长;Ha较大时,4种模态下的扰动出现两种增长模式:类型为模态Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的扰动仍呈瞬态增长,模态Ⅱ的扰动呈指数增长,此时流场稳定性与射流有关。

关键词： Hunt流稳定性非正则模态瞬态增长指数增长

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热/电毛细对流的稳定性研究

热/电毛细对流的稳定性研究

作者：郑晟宁波大学

学位级别：硕士

热/电毛细对流是指由温度/电场诱导的表面张力梯度从而驱动流体的流动。它们在晶体生长、液滴迁移、喷墨打印等各种工业生产中广泛存在,其稳定性对于理论研究和实际应用都具有十分重要的意义。本文采用模态和非模态方法研究了热/电毛细... 详细信息

热/电毛细对流是指由温度/电场诱导的表面张力梯度从而驱动流体的流动。它们在晶体生长、液滴迁移、喷墨打印等各种工业生产中广泛存在,其稳定性对于理论研究和实际应用都具有十分重要的意义。本文采用模态和非模态方法研究了热/电毛细流动的线性稳定性,并解释了流动失稳的物理机制。以下是主要研究内容和研究结果:首先本论文用非模态方法研究了热毛细液层的瞬态增长和外加扰动放大。我们以线性流和回流为模型,重点研究在不同的Prandtl数、Reynolds数下的瞬态增长和扰动放大。对于瞬态增长,结果表明在小Prandtl数下的亚临界流动中存在较大的瞬态增长,且随着Reynolds数增大而增大,随着Prandtl数增大而减少。流场中存在沿流方向上成对出现方向相反的涡与条纹,且表面的温度场对瞬态增长有负面效应。能量分析表明小Prandtl数下的流动,表面Marangoni力做功可忽略不计,能量主要来自于基本流做功。对于扰动放大,结果表明在小和高Prandtl数下,亚临界流动中均存在较大的扰动放大,但放大机制不同:小Prandtl数下,最优放大发生在方向角靠近90度附近,放大机制是举起机制、Orr机制和外加力的组合;高Prandtl数下,回流的最优放大为流向波,放大原因主要是热毛细效应。伪谱表明,当外部激励频率接近最优模态的特征值时,会发生共振效应。此外本论文分别用模态方法和非模态方法研究了电毛细液层的线性稳定性。模态分析表明流动总是线性稳定的且不存在电势扰动,但存在两种模态:水动力模态(不存在面电荷密度)和电动力模态(存在面电荷密度)。在非模态分析中,速度扰动和面电荷密度扰动均得到明显放大,最优增长和最优放大均出现在展向附近。能量分析表明:对于展向扰动,基本流是放大的重要能量来源;相反,对于流向扰动,扰动能量主要来自于电毛细力做功。

关键词：热毛细对流电毛细对流线性稳定性瞬态增长激励响应

槽道流动中速度滑移边界条件下层流向湍流的转捩研究

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槽道流动中速度滑移边界条件下层流向湍流的转捩研究

作者：柴春硕天津大学

学位级别：硕士

流体运动为何、何时以及如何偏离其有序状态而表现出更为复杂的湍流行为一直受到科学家们的关注,鉴于超疏水表面在自然界广泛存在且在工程中的应用越来越广泛,研究超疏水表面上流动的转捩问题有着重要意义。在超疏水表面上通常的无滑移... 详细信息

流体运动为何、何时以及如何偏离其有序状态而表现出更为复杂的湍流行为一直受到科学家们的关注,鉴于超疏水表面在自然界广泛存在且在工程中的应用越来越广泛,研究超疏水表面上流动的转捩问题有着重要意义。在超疏水表面上通常的无滑移边界条件不再适用,而需采用滑移边界条件。本文主要研究了速度滑移边界条件下槽道流动的线性稳定性和瞬态增长问题,从而探讨其对层流向湍流转捩的潜在影响。我们将流向滑移和展向滑移分别作为各向异性滑移的两种极限情况来研究槽道流动的稳定性,并探索了比以往研究更宽的滑移长度范围。线性理论分析发现在滑移足够大的情况下,流向滑移和展向滑移都会触发三维主导不稳定性。流向滑移使得临界雷诺数略有增加,而展向滑移则会使临界雷诺数大大减小,表明流向滑移可能会稍微延迟湍流的转捩,而展向滑移则会在很大程度上使转捩提前发生。当各向同性滑移时,三维主导不稳定性消失,流动变得更稳定,表明只有在速度滑移中引入各向异性才可以触发提前失稳。此外,还分析了Squire定理在各向异性滑移时是不成立的。采用求解伴随系统的间接方法分析了较大滑移长度下槽道流动的非模态稳定性,发现流向滑移对瞬态增长起抑制作用,而展向滑移增大了瞬态增长。此外,随着展向滑移长度的增加,最优扰动呈现出不同于众所周知的流向漩涡的流动结构。当两个方向上的滑移长度相等时,非模态瞬态增长主要受流向滑移的影响,表明只有在速度滑移中引入各向异性才可以触发较大的瞬态增长,从而触发提前转捩。

关键词：速度滑移线性稳定性分析瞬态增长最优扰动 Squire定理转捩

螺旋Poiseuille流中Anti-lift-up机制与Reynolds应力机制的竞争

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螺旋Poiseuille流中Anti-lift-up机制与Reynolds应力机制的竞争

第十一届全国流体力学学术会议

作者：陈诚黄江涛张伟中国空气动力研究与发展中心高超中心中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室西南科技大学土木工程与建筑学院

本文通过奇异值分解(SVD)方法得出宽缝(半径比η=0.5)、内外圆柱同向旋转情况下螺旋Poiseuille流动(SPF)中最优扰动及其瞬态增长特性随Poiseuille数(P=0～20000)变化情况。结果表明随着轴向剪切作用的增强(P的增大),周向和径向速度幅度... 详细信息

本文通过奇异值分解(SVD)方法得出宽缝(半径比η=0.5)、内外圆柱同向旋转情况下螺旋Poiseuille流动(SPF)中最优扰动及其瞬态增长特性随Poiseuille数(P=0～20000)变化情况。结果表明随着轴向剪切作用的增强(P的增大),周向和径向速度幅度峰值位置均向内圆柱移动,而靠近外圆柱的第二峰值将逐渐增大。由无粘能量密度方程可知,扰动能量生成项由周向剪切贡献项J和轴向剪切贡献项J组成,分别对应an-lift-up机制和(r,z)平面内Reynolds应力机制。随着P的增大,J逐渐增强而J逐渐减弱。当P足够大时(P=10000,20000),J相对于J占优,说明此时Reynolds应力机制取代an-lift-up机制成为SPF中扰动瞬态增长的主导机制。

关键词：螺旋Poiseuille流最优扰动瞬态增长 an-lift-up机制 Reynolds应力机制

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圆管湍流最优结构研究

圆管湍流最优结构研究

第八届全国流体力学学术会议

作者：宋洋许春晓黄伟希崔桂香清华大学航天航空学院工程力学系

基于圆管湍流的RANS方程,采用算子投影方法得到了关于径向扰动速度以及径向扰动涡量的线性化扰动方程,该方程中雷诺应力项采用涡黏模式封闭,黏性系数使用Cess模型来模拟。采用修正的Chebyshev配置点方法来求解本征值问题,同时使用了奇... 详细信息

基于圆管湍流的RANS方程,采用算子投影方法得到了关于径向扰动速度以及径向扰动涡量的线性化扰动方程,该方程中雷诺应力项采用涡黏模式封闭,黏性系数使用Cess模型来模拟。采用修正的Chebyshev配置点方法来求解本征值问题,同时使用了奇异值分解来获得最优增长结构。计算结果表明在湍流基本流情况下,圆管中扰动的最优增长过程是由初始的流向涡主导转变为条带主导。这一过程与槽道湍流得到的结论定性一致。由于圆管和槽道几何外形的不同,其最优结构的形态及大小并不完全相同。通过与层流基本流结果对比,发现湍流情况下最优结构的增长率显著低于层流情况,并且湍流条件下出现了尺度更小的次优结构。这些结构出现在近壁区,由流向涡主导转变成以条带主导,条带(流向涡)的间距约为100黏性尺度,该间距不随雷诺数的变化而变化,但是该尺度所对应次优结构的增长率随着雷诺数的升高而有明显的增大。另一方面发现扰动的最优增长时间与该扰动的环向尺度之间存在线性关系。

关键词：圆管湍流最优结构瞬态增长