基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

机翼形堰绕流流场的PIV测量

为了研究机翼形溢流堰流动特性并探讨其水力特性,利用粒子图像速度场仪（PIV）在水槽中测量了相对水头高度（H0/P）分别为1.05,1.25,1.37,1.48,1.54时堰高与堰长比（P/C）为0.30的某机翼形堰的绕流流场,获得了5种雷诺数（Re）下对应流场的速度矢量、流线和涡量图.试验结果表明：在不同相对水头高度或来流速度下,机翼形堰具有相同的溢流流动特性,其速度、涡量分布规律基本相同,流线近似平行,流动平稳,无明显的漩涡出现,其绕流流动类似＂贴体＂流动,试验中堰顶处主流最大速度为0.36 m/s,上游堰踵和下游堰趾处速度较主流速度小得多,其值大小为0.05 m/s,速度的降低有效减少了水流对堰面的冲刷.堰顶处涡量最大为19.12 m2/s,加快了堰顶水流能量的耗散;上游堰踵和下游堰趾涡量几乎为0,避免了堰踵与堰趾出现危害性负压.     

理想状况下涡流发生器尾涡特性

采用大涡模拟技术计算了理想工况下54种涡流发生器的水动力特性,以尾涡大小、尾涡间距和尾涡强度作为衡量参数,依次分析了3种流速、3种几何尺寸和6种安装角度时涡流发生器的尾涡特性,并用粒子图像测量方法对计算结果进行了验证.研究结果表明:反向涡与水流方向的夹角远大于同向涡与水流方向的夹角,并且随着涡流发生器与涡旋间距离的增大,各夹角先增大后减小,直至同向涡和逆向涡合并到同一条直线上;随着涡流发生器安装角度绝对值的增大,尾涡大小和强度均线性增大,并且一对涡旋内同向涡和反向涡之间的距离增大,相邻两对涡旋之间的距离逐渐减小;随着流速的增大,尾涡强度显著增大,但各个涡旋之间的距离不变;随着涡流发生器安装边长度的增加,组内同向涡和反向涡之间的距离逐渐增大,但湍动能的分布区域大致相同.     

迷宫流道内沙粒壁面碰撞模拟与PTV实验

以单个沙粒为对象,研究了沙粒与灌水器流道壁面的碰撞过程.采用计算流体力学CFD数值模拟方法,分析了沙粒与壁面碰撞反弹系数Rc对灌水器抗堵性能的影响.结果表明,反弹系数对灌水器抗堵性能影响较大.利用粒子跟踪测速技术PTV,观测了复杂迷宫流道内沙粒与壁面碰撞过程,测定了不同压力点下矩形流道的碰撞反弹系数,为灌水器数值模拟时反弹系数的设定提供了实验依据,从而可以更加准确评估灌水器抗堵性能.     

Comparative analysis of flow patterns in aquaculture rectangular tanks with different water inlet characteristics

The objective of the work is to improve the design rules of rectangular aquaculture tanks in order to achieve better culture conditions and improve water use efficiency. Particle tracking velocimetry techniques (PTV) are used to evaluate the flow pattern in the tanks. PTV is a non-intrusive experimental method for investigating fluid flows using tracer particles and measuring a full velocity field in a slice of flow. It is useful for analysing the effect of tank geometries and water inlet and outlet emplacements. Different water entry configurations were compared, including single and multiple waterfalls and centred and tangential submerged entries.

The appearance of dead volumes is especially important in configurations with a single entry. Configuration with a single waterfall entry shows a zone of intense mixing around the inlet occupying a semicircular area with a radius around 2.5 times the water depth. A centred submerged entry generates a poor mixing of entering and remaining water, promoting the existence of short-circuiting streams. When multiple waterfalls are used, the distance between them is shown to have a strong influence on the uniformity of the velocity field, increasing noticeably when the distance between inlets is reduced from 3.8 to 2.5 times the water depth. The average velocities in configurations with multiple waterfalls are very low outside the entrance area, facilitating the sedimentation of biosolids (faeces and non-ingested feed) on the tank bottom. The horizontal tangential inlet allows the achievement of higher and more uniform velocities in the tank, making it easy to prevent the sedimentation of biosolids.     

数字图象技术在流速测量中的应用

分析了激光散斑测速及微粒图象测速法在非稳流的瞬时速度场测量中的缺陷和局限性。针对这些局限，从理论上探讨了采用数字图象技术的方法测速的优越性，它可以消除目前采用光学方法的局限；包括非常有限的动态速度范围的测量，速度失量方向的不明确及实现实时测量的困难。     

基于PIV测试的螺旋离心泵内部流动特性研究

为了研究螺旋离心泵内部流体流动机理,通过对螺旋离心泵改造和透明化处理,应用PIV测试技术,取螺旋离心泵轴截面和径向截面分阶段获得各截面上速度变化,进而得到各个截面上的流动信息,揭示螺旋离心泵内部流动状态。结果表明:整个轴向截面中,物理参量扰动大于径向截面,尤其在叶轮流道的轴截面,有明显的涡旋出现。在深入蜗壳的叶轮流道中,涡旋数量明显增加,这是因为该区域的流体方向在叶轮旋转和蜗壳使其变化过程中,同时受力分配促进了这种变化;在径向截面上,能明显看到速度方向和流线沿一个方向旋转,同时,流体均有由中心向外运动的趋势,这是叶轮螺旋段螺旋推进作用后又一个重要组成部分离心段的离心力作用决定的,叶轮的螺旋段螺旋推进作用和离心段的能量转换相互配合,构成了螺旋离心泵工作的过程。     

不同比转数前伸式双叶片离心泵内部流动规律研究

采用k-ε模型、SST模型和DES模型分别对比转数为70的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值计算,获得不同流量工况下(Q/Qd分别为0.6、1.0、1.6)叶轮内部流场的相对速度分布,将不同湍流模型的内部流动模拟结果与PIV试验结果进行对比分析,发现基于k-ε模型的模拟结果与PIV试验测量结果较为吻合。采用k-ε模型对比转数为157的前伸式双叶片离心泵进行非定常数值模拟,研究发现叶轮内部流动规律与比转数为70的离心泵叶轮内部流动规律具有相似性:在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。     

压电驱动自耦合射流流动特性实验

为了研究压电驱动狭缝喷口自耦合射流的流动特性,采用PIV、热线风速仪测试手段,对自耦合射流激发器在不同激励因素下的流场和速度场分布进行了实验和分析.结果显示,自耦合射流在狭缝出口处产生了反向涡对,随着自耦合射流的发展,射流呈现出在喷口短轴方向急剧向两侧扩展、而在喷口长轴方向先收缩后缓慢扩展的流动特征;自耦合射流的速度分布在法线方向呈现先上升后下降的趋势,在z/b=10左右速度达到最大值;在射流展向上,短轴方向速度呈规律的对称分布和速度自模的特征,而长轴方向速度近喷口区域呈现马鞍状分布,随着法向距离增加这种趋势消失.研究中发现,激发器存在两个谐振频率,在谐振频率激发下自耦合射流的速度和涡量比较大.与常规射流相比,自耦合射流显示出了独特的流动特性.     

用PIV和LBM法检验灌水器设计中连续介质假设的适用性

灌水器由于其流道特征尺寸微小,因而在其流道内的流动特性分析中,基于连续性介质假设的Navier-Stokes(NS)方程是否适用一直存在争议。该文从微观角度采用格子Boltzmann方法(1attice Boltzmann method,LBM)研究灌水器的流动特性。首先进行LBM的网格无关性分析,其次将LBM的数值计算结果、传统的基于连续性介质假设下的有限体积法的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)计算结果以及粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)试验结果进行对比,分析LBM计算结果与基于CFD结果偏离PIV试验值的相对偏差的算术平均值。结果表明,CFD偏离PIV试验结果的相对偏差的算术平均值为0.139%,而LBM偏离PIV试验的相对偏差的算术平均值为0.115%,两者偏离PIV试验结果的相对偏差的算术平均值比较接近。因此,针对流道特征尺寸为1 mm的灌水器,采用基于连续性介质假设下的流体动力学计算方法来研究是适用的。