横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究

论文题目: 横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 流体力学

作者: 张燕

导师: 王道增

关键词: 涡旋结构,冲击射流,横流,测量,大涡模拟

文献来源: 上海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文的研究对象为受横流影响的冲击射流。横流冲击射流近区存在射流剪切层、冲击效应、壁射流及其与横流的相互作用,流场中涡旋结构的形成、演化特征和涡间相互作用机制复杂,目前在国内外尚缺乏深入研究。对横流冲击射流中涡旋结构随时间、空间的发展过程及其与环境横流、底壁边界相互作用的研究不仅能促进其在环境工程、水电工程等实际工程问题中的应用,而且能揭示流场中各种涡结构的内在机制和演化特征,为实施流动控制和改善流场特性提供基础。本文采用水槽实验与数值研究相结合对横流冲击射流近区流场特征和涡旋结构进行了详细研究。实验研究采用激光诱导荧光(LIF)流动显示技术和PIV流场测量,主要研究环境水深、流速比等流动参数对横流冲击射流近区非定常流动特性和涡旋结构特征的影响;数值研究采用三维非定常大涡模拟(LES),主要分析射流主体流动形态随时间、空间的发展演化以及射流在横流和底壁共同作用下形成的三维涡旋特征等,与实验结果互为验证和补充。根据实验LIF流动显示和PIV流场测量结果,冲击射流与横流相互作用形成的剪切层涡、射流尾迹涡、上游壁面涡和scarf涡随流动参数的变化,表现出不同的非定常流动特性,而且各种涡之间存在相互作用。射流主体迎流面和背流面初始形成的剪切层涡存在三种分布形式,即近似对称型、交替型和螺旋型。随射流的发展,受横流影响以及涡间相互作用,剪切涡均会发展为围绕射流主体的螺旋型模式。迎流面剪切涡的分布较为规则,在发展过程中卷吸环境流体,涡间存在较明显的间隙。背流面射流尾迹涡不仅有水平面内的旋转和拉伸变形,还存在垂直平面内的扭转,表现出明显的三维流动形态。相邻涡存在旋转方向相同以及旋转方向相反的多种排列形式,在射流主体后缘还有多条尾迹涡横向并列分布情形,其流动形态及形成机理均不同于以往研究较多的壁面边界层与射流作用下形成的横流尾迹涡结构。射流到达底壁形成冲击后在射流主体上游出现大尺度壁面涡结构,其扩展范围和非定常运动特性依赖于冲击效应和横流影响。随流速比的减小或环境水

论文目录:

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 目前研究进展

1.2.1 静止流体中的自由射流

1.2.2 横流环境中的射流

1.2.3 冲击射流

1.2.4 横流冲击射流

§1.3 本文主要研究内容

第二章实验仪器设备与测量分析方法

§2.1 概述

§2.2 实验水槽及射流装置

§2.3 实验流体及测量方法

§2.4 粒子图像速度仪(PIV)

2.4.1 PIV技术简介

2.4.2 PIV图像的相关性分析

2.4.3 本实验PIV介绍

§2.5 实验参数与工况

§2.6 本章小结

第三章实验结果及分析

§3.1 概述

§3.2 横流冲击射流实验结果与分析

3.2.1 剪切涡

3.2.2 射流尾迹涡

3.2.3 上游壁面涡及scarf涡

3.2.3.1 上游壁面涡

3.2.3.2 scarf涡

§3.3 本章小结

第四章横流冲击射流的数值计算方法

§4.1 概述

§4.2 大涡模拟方法介绍

4.2.1 控制方程

4.2.2 亚网格尺度模型

§4.3 初始条件与边界条件

4.3.1 RNG k-ε型

4.3.2 初始条件

4.3.3 边界条件

§4.4 计算区域和网格

4.4.1 计算区域

4.4.2 计算网格

§4.5 计算结果验证

§4.6 本章小结

第五章计算结果与分析

§5.1 概述

§5.2 射流主体附近区域流动特征

5.2.1 射流主体附近区域内部结构

5.2.2 射流主体对底壁的冲击效应

5.2.3 射流出口中心线速度分布

§5.3 射流主体初始演化特征

§5.4 射流主体背流面涡旋演化特征及射流尾迹涡的形成机理

5.4.1 射流主体背流面涡旋演化特征

5.4.2 射流尾迹涡脱落机理分析

§5.5 三维流动与涡旋结构特征

5.5.1 射流出口剪切层

5.5.2 三维涡旋结构

§5.6 本章小结

第六章结论

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的论文

致谢

发布时间: 2005-09-16

参考文献

[1].金属冲击射流形成、断裂和颗粒化分布研究[D]. 石艺娜.中国工程物理研究院2008
[2].基于机舱环境背景下的冲击射流与湍流热对流的实验研究[D]. 姚世勇.天津大学2016
[3].平面射流与振翅运动的数值研究[D]. 赵立清.南京航空航天大学2013

横流冲击射流涡旋结构的实验和数值研究

猜你喜欢