空气动力学学报

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《空气动力学学报》2022年2期pdf合集

2022, 40(2).

摘要(146) PDF(47)

摘要:

曾嘉楠, 李琪, 吴雷

2022, 40(2): 1-30. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0378

摘要(424) HTML (157) PDF(119)

摘要:
稀薄气体效应，是指气体在特征尺度与其分子平均自由程相当的系统中流动时出现的非平衡效应。相比于单原子气体，分子气体（每个气体分子包含两个及以上原子）流动因同时具有转动、振动等多种自由度的非平衡过程，其稀薄效应更为复杂。分子气体稀薄效应在航空航天、微机电系统和页岩气开采等民生、科技领域广泛存在，而描述该效应的动理学模型与数值模拟方法尚不成熟。本文从单原子气体与玻尔兹曼方程出发，介绍气体动理学建模的相关研究现状，针对分子气体特性详细讨论气体弛豫过程与输运系数的关系。针对典型的稀薄气体流动验证常用的模型方程的精度，并指出直接模拟蒙特卡罗方法在分子气体稀薄流动应用中存在的问题，即在体积黏性确定的情况下无法指定热流弛豫速率及恢复热导率。随后针对此问题，使用吴模型量化研究该弛豫速率在分子气体稀薄流动模拟中导致的宏观量的不确定性，并讨论从分子动力学模拟和瑞利-布里渊散射实验中减小甚至消除不确定性的方法。本文对涉及化学反应的稀薄气体流动建模有指导意义。

AC-SDBD等离子体激励防/除冰研究现状与展望

孟宣市, 惠伟伟, 易贤, 蔡晋生, 李华星

2022, 40(2): 31-49. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0159

摘要(428) HTML (170) PDF(69)

摘要:
层流控制、复合材料、全电驱动等创新性航空技术的应用给传统防/除冰方法带来了新的挑战。基于高电压驱动的表面介质阻挡放电等离子体激励新概念防/除冰方法因其没有复杂的机械构造和潜在的气动耗损，从而有潜力成为下一代飞行器采用的防/除冰方法。该综述从飞行过程中的结冰与防/除冰研究、等离子体空气动力与热激励特性研究、等离子体激励防/除冰研究等三个方面，对等离子体防/除冰方法的研究现状和发展趋势进行了分析，指出等离子体防/除冰研究的关键科学问题主要包括：1）以等离子体空气动力与热激励为主要因素的多物理场耦合机制；2）等离子体激励下多物理场非平衡相变演化规律与防/除冰机理。上述科学问题的研究包含了等离子体物理特性、流动控制机理、结冰机理、防/除冰规律等众多流体力学前沿方向，等离子体防/除冰研究的难点在于涉及多物理场耦合和多时间尺度，因此，相应的数值模拟方法与实验观测技术成为解决上述科学问题的关键突破点。探索等离子体激励防/除冰机制以及解决面向工程应用的技术问题，是下一步需要聚焦的研究方向。

阵列式介质阻挡放电等离子体激励对近壁区流动影响

秦立涛, 张海灯, 汪一舟

2022, 40(2): 50-58. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0068

摘要(164) HTML (72) PDF(19)

摘要:
为了揭示介质阻挡放电等离子体激励流场作用效果对流动状态的依赖性，设计了由八组表面介质阻挡放电等离子体激励器（AC-SDBD）组成的阵列式激励器，在来流风速20～80 m/s工况下，研究了其对近壁区流动的影响。实验结果表明：施加激励的瞬间，阵列式AC-SDBD使得近壁区速度明显增大，随着时间的推移，近壁区速度有所下降，最后趋于稳定；当流动状态稳定后，激励沿流向和法向的影响范围分别达到了激励器下游170 mm和距离壁面10 mm位置，且激励后近壁区速度分布规律与流向距离和距壁面高度均有关；来流速度较低时，激励使得稳定后的近壁区速度增大，但当来流速度增大到一定数值时，施加激励后近壁区速度有所减小。

合成热射流对机翼表面温度特性影响的数值研究

杨升科, 易贤, 郭奇灵, 刘森云, 肖春华

2022, 40(2): 59-66. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0146

摘要(262) HTML (66) PDF(19)

摘要:
为了探究电热与合成热射流耦合防冰过程中合成热射流对机翼表面温度分布的影响，在低速来流条件下，采用数值模拟方法研究了一个周期内合成热射流对机翼表面的加热规律，以及合成射流速度、温度及出口角度等参数对机翼表面温度控制效果的影响。结果表明：相比于无控状态，加入合成热射流能够有效地提升机翼表面的平均温度；提高合成射流的温度能够提升整个机翼表面的温度，但气体的加热效率随温度升高呈降低的趋势；合成射流速度的提升会使沿机翼表面的温度呈先减小后增大的趋势；对于不同角度的射流，采用顺向射流对机翼表面的加热效果优于逆向射流，研究结果可为提升电热与合成射流耦合防冰系统能力提供支撑。

气动力热作用下飞行器结构分析的分区耦合CG/DG有限元方法

赵建宁, 魏东, 杜雁霞, 刘冬欢, 桂业伟

2022, 40(2): 67-78. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0050

摘要(349) HTML (127) PDF(33)

摘要:
高超声速飞行器热防护结构中存在大量不同材料的装配界面，因此在结构热力耦合分析中会产生界面非完好接触、热力耦合等非线性效应。针对传统三维有限元方法在求解此类结构时存在的计算量大、计算效率低的问题，建立了适用于含搭接界面温度场和热力耦合分析的分区连续/间断伽辽金有限元方法，充分考虑材料非线性以及温度和应力相关的接触热阻对结构热力耦合响应的影响，并编制相应的有限元计算软件，形成适应于工程大规模计算的含多材料搭接界面结构的三维传热、热力耦合问题研究的高效高精度计算能力，为我国新型高超声速飞行器热气动弹性特性预测及安全评估等提供研究手段和技术支撑。

民机弹射降落伞离机充气过程和安全分析

张延泰, 孙建红, 侯斌, 许常悦, 冯传奇

2022, 40(2): 79-87. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0010

摘要(198) HTML (114) PDF(22)

摘要:
当降落伞牵引小质量负荷（应急数据记录系统）从大型民用飞机机身下方弹射离机时，不同于弹体等刚性物体，柔性伞衣充气过程中剐蹭机身等安全隐患更大。为了研究弹射降落伞离机充气过程气动特性和运动轨迹，采用任意拉格朗日-欧拉（arbitrary Lagrange Euler, ALE）方法，对不同来流速度和角度条件下的降落伞开伞过程、气动特性和流场特性进行了数值模拟，分析了来流速度和角度对伞衣充气过程的影响。结果表明：当伞衣贴近或挤压机身时，伞衣侧面剪切层和近尾迹区中的涡运动都会受到机身影响，但降落伞不会完全失效，这时伞衣投影面积相对较小，充气过程的动载峰值变小。同时，在 40～160 m/s来流速度、临界来流迎角下，给出了降落伞可安全弹射离机的来流条件，为分离式飞机应急记录跟踪系统设计提供了理论支持。

高速地铁通过隧道车外压力波研究

陈大伟, 丁叁叁, 宋军浩, 姚拴宝

2022, 40(2): 88-93. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0191

摘要(176) HTML (49) PDF(17)

摘要:
地铁列车通过隧道时产生的压力波会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响。为了研究地铁列车在隧道内运行时车外压力波动变化规律，本文基于三维可压缩非定常Navier-Stokes方程对地铁列车由明线驶入隧道产生的隧道压力波进行了数值模拟，归纳了列车速度、隧道断面积、列车编组长度、隧道长度及入口缓冲结构对列车不同位置压力波动幅值变化的影响。结果表明：车外压力波幅值按速度的2.6～2.9次方增长；随着隧道阻塞比增加，车外压力波幅值增大，但在隧道断面面积固定的情况下，断面形状对车外压力波的影响较弱；列车编组长度和隧道长度会造成车外压力波沿列车长度方向非单调分布，工程中应根据实际关心列车位置的压力波动进行优化设计；增加隧道缓冲结构能够抑制车外压力波的幅值。本文的研究结果可为高速地铁气密设计提供参考。

不同转向架构型对高速列车列车风及非定常尾迹的影响

郭婷, 夏超, 储世俊, 杨志刚

2022, 40(2): 94-104. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0239

摘要(242) HTML (63) PDF(33)

摘要:
随着高速列车速度的不断提升，列车尾部非定常尾迹引起的列车风安全问题越来越凸显。为探究转向架构型对列车风和非定常尾迹的影响，以CRH3两节编组的高速列车缩比模型为研究对象，采用增强型延迟分离涡模拟对三种不同转向架构型，即不对称转向架、对称转向架和无转向架，进行列车非定常流动的数值模拟研究。通过对比分析列车风时均和脉动速度分布以及尾迹流场结构，同时采用SPOD (Spectral Proper Orthogonal Decomposition)方法对非定常尾迹进行模态分解和流场重构。研究结果表明：三种转向架构型的列车尾迹均是由一对反向旋转的半环形流向交替涡脱落主导；相对于对称转向架构型，不对称转向架底部带来的扰动与尾迹流向涡对的相互作用更强，增加流向交替涡脱落的强度，继而诱导出更高的列车风脉动速度；无转向架的转向架舱及其后缘流动分离产生的大尺度涡脱落导致尾迹流向涡对展向范围更宽，列车风时均速度最大；SPOD方法通过增强相关矩阵的对角相似性，使得提取的主导模态配对性增强，模态峰值频率更加凸显，模态空间分布更加清晰。以上研究结果对高速列车转向架的设计优化有一定参考意义，显示了SPOD方法在高速列车非定常尾迹分析中的优势。

分离式三箱梁车-桥系统气动特性风洞试验

杨凌波, 华旭刚, 王超群, 陈政清

2022, 40(2): 105-114. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0212

摘要(183) HTML (75) PDF(7)

摘要:
为研究分离式三箱梁气动力特性和主梁-列车系统的气动干扰效应，基于风洞试验对比分析了直线型腹板及圆形腹板以及附属设施对主梁断面三分力系数的影响，进一步研究了不同腹板形式主梁气动力的雷诺数效应，同时讨论了列车与主梁间的气动干扰效应。结果表明：分离式三箱梁的阻力系数随风攻角的变化趋势与分离式双箱梁十分接近，即先减小后增大，且拐点大约在风攻角为−2°到0°之间。腹板形状对分离式三箱梁的三分力系数影响很小，而风屏障等附属设施和气动措施的影响较大。在试验雷诺数范围内，两种腹板形式的分离式三箱梁施工期裸梁断面均存在明显雷诺数效应，但两者有明显区别：直线型腹板主梁的阻力系数对雷诺数变化较为敏感，升力系数和力矩系数则不敏感；而圆形倒角腹板主梁的阻力系数和力矩系数均对雷诺数的变化较为敏感。列车与分离式三箱梁间存在显著的气动干扰效应，且不同风攻角间存在明显差异。单个列车存在时，列车和主梁之间的相对水平位置对主梁的三分力系数影响不大；双列车会车时，主梁的阻力系数较无列车和单列车时显著减小，且背风侧列车受到的气动力先突降后突增，对行车安全不利。

亚声速真空管道磁浮系统气动热特性研究

宋嘉源, 李田, 张晓涵, 张继业, 张卫华

2022, 40(2): 115-121. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0227

摘要(218) HTML (89) PDF(30)

摘要:
为解决真空管道磁浮系统气动热问题，研究管道内气动热分布特性至关重要。以某高速磁浮列车为研究对象，基于Sutherland黏性公式及SST k-ω湍流模型，数值仿真了三维可压缩亚声速真空管道磁浮系统的气动特性及气动热效应，考虑的阻塞比范围为0.1～0.4、列车运行速度为600～1000 km/h，研究了列车表面温度分布、列车尾部温度分布及管道激波的传播规律。研究结果表明：不同工况下头车与中间车表面温度变化呈缓慢下降趋势，由于尾部激波产生而造成尾车表面温度上升明显，且升高幅值随速度与阻塞比增大而增加。在壅塞状态下，尾车鼻尖处最高温度与阻塞比及速度基本呈线性关系。尾车流线型顶部与悬浮间隙处均有激波产生，管道内激波具有典型的三维特性和周期性，在轨道与管道表面之间反射的激波簇形成尾部低温与列车后方高低温交替特性。

基于M-P雨滴谱的强降雨环境下高速列车雨载荷及气动特性分析

盛旭高, 于梦阁, 刘加利

2022, 40(2): 122-128. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0245

摘要(172) HTML (103) PDF(7)

摘要:
降雨对高速列车的作用力包括气动力和雨滴对列车的冲击力两部分，以往的研究侧重降雨对高速列车气动特性的影响，本文对这两部分都进行了研究：基于Marshall-Palmer雨滴谱，采用Euler-Lagrange方法建立降雨环境下高速列车空气动力学模型，研究降雨对高速列车流场特性及气动力特性的影响；基于能量守恒方法推导雨滴对列车的冲击力计算公式，分析作用于列车的雨载荷特性。研究表明，车速相同时，头车的纵向雨载荷系数、垂向雨载荷系数、气动阻力系数及气动升力系数均随降雨强度的增大而增大；降雨强度相同时，头车纵向雨载荷系数、垂向雨载荷系数、气动阻力系数及气动升力系数均随车速的增大而减小。

高速列车串列升力翼翼型优化设计

王瑞东, 倪章松, 张军, 李树民, 岳怀俊, 余雨晨

2022, 40(2): 129-137. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0203

摘要(415) HTML (107) PDF(52)

摘要:
气动升力协同高速列车是一种通过添加串列升力翼提高列车气动升力，实现高速列车整体能耗和全寿命周期成本下降的创新型高速列车概念。由于升力翼使得列车的净重量下降，车轮与轨道之间的作用程度减弱进而降低了摩擦阻力和车轮的磨损。为减少串列翼之间的气动干扰，在铁路限界约束条件下，基于数值模拟方法，研究了不同壁面距离和攻角下的升力翼气动特性，提出了一种较优的升力翼气动布局，在此基础上开展翼型优化设计。研究结果表明：后翼处在前翼的尾迹区时会存在显著的升力损失，且气动损失随着前翼攻角的增大而增大。通过翼型优化，可以有效改善后翼的气动特性，相比原始翼型，新翼型的升力系数提升了14.06%，升阻比提升了10.71%。

高速列车客室空气污染物传播特征与净化效果

王宗昌, 周新喜, 马冰冰, 伍钒

2022, 40(2): 138-145. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0107

摘要(160) HTML (80) PDF(20)

摘要:
高速列车客室环境相对封闭，列车运行时，在送风方式和客室结构的综合影响下，空气污染物在流场中的传播特征复杂多变。本文基于具有完整空调系统、客室内装和风道结构的高速列车客室流场开展实车实验研究。结果表明，在客室中部产生的固态污染颗粒会造成上中下游污染物浓度不同程度的上升。其中，下游的污染物浓度上升最为剧烈。顶部送风模式相比于底部送风模式能够更好地抑制污染物在客室空间内的传播。最后，以静电除尘技术和介质阻挡放电技术为代表的空气净化技术能够显著提升客室空气污染物的净化效率，二者的空气净化效率和客室空气污染物浓度呈正相关，且静电除尘技术的空气净化效率优于介质阻挡放电技术。

“热湍流”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(2): 146-146.

摘要(956) HTML (105) PDF(13)

摘要:

瑞利-伯纳德热湍流中的多湍流态现象

陈鑫, 郗恒东

2022, 40(2): 147-155. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0002

摘要(1029) HTML (145) PDF(42)

摘要:
热湍流现象是自然界以及生产生活中很普遍的现象，它源于温差导致的密度差引起的自然对流。瑞利-伯纳德（Rayleigh-Bénard，RB）热湍流系统是从众多自然现象、工程实际中抽象出来的研究热湍流的经典流体力学模型系统。在过去的几十年间，瑞利-伯纳德热湍流系统被广泛用来研究湍流热输运、流动结构演化等特性。最近的研究发现即使在相同的控制参数下，RB热湍流系统中的大尺度流动存在不同的湍流态（结构），且不同的湍流态对应着不同的热输运效率。因此，理解不同的湍流态（结构）的产生机制有助于调控系统的热输运效率。本文就RB热湍流系统中的多湍流态现象, 着重评述近年来的若干研究新进展, 并对今后的研究工作进行展望。

湍流热对流调制及其机理的研究现状和展望

赵超本, 庄启亮, 王伯福, 吴建钊, 周全

2022, 40(2): 156-164, 173. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0389

摘要(963) HTML (116) PDF(45)

摘要:
湍流热对流现象广泛存在于自然界和实际工程应用中，Rayleigh-Bénard（RB）系统是研究湍流热对流问题的经典模型。湍流传热的调制及其机理问题是湍流研究的重点。在经典RB系统中，上下板附近的温度边界层与系统传热关系密切，边界层内热湍流结构（羽流）的生成演化特性直接决定着系统传热效率。目前的调制策略主要通过改变上下板边界的几何型形状或改变温度边界条件来控制RB系统的对流强度，实现增强或抑制系统传热。本文主要从边界几何调制、边界温度时间调制和边界温度空间调制三个方面分别介绍和讨论了近年来有关湍流热对流调制及其机理研究方面的最新进展，并在最后提出了针对该方向的一些思考和展望。

侧壁效应对Rayleigh-Bénard对流影响的数值模拟研究

刘苗苗, 王启, 万振华, 孙德军

2022, 40(2): 165-173. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0320

摘要(879) HTML (79) PDF(41)

摘要:
Rayleigh-Bénard（RB）对流的研究中通常使用侧壁绝热的温度边界条件，然而实际的对流换热设备中侧壁存在导热性且会对系统传热和流动特性产生影响。为探究侧壁导热性对RB对流的影响，本文采用侧壁等温假设，即侧壁温度为上下壁面温度的平均值，使用二维和三维直接数值模拟的方法研究了侧壁恒温的RB对流。流体工质为普朗特数Pr = 5.3的水，二维和三维方腔宽高比Γ为1。将侧壁等温的计算结果与经典的侧壁绝热的RB对流结果进行比较，研究表明：侧壁等温时，二维和三维系统中均存在上下壁面Nu不相等的情形，该特性发生在有限的Ra值区间内，且与系统内的流动结构密切相关；侧壁恒温时，系统的传热效率要高于侧壁绝热情况下的传热效率，这是由于侧壁恒温条件下，一部分热量可以直接通过侧壁来传递，从而绕开温度边界层。当采用恒温边界条件时，流场的强度减弱，从而系统的Re要小于侧壁绝热条件下对应的Re。

大Pr数湍流热对流大尺度环流形态变化特性

包芸, 何建超, 方明卫

2022, 40(2): 174-181. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0335

摘要(801) HTML (98) PDF(17)

摘要:
大尺度环流是湍流热对流的重要特征之一，为了研究大尺度环流形态的变化特征，本文在大Prandtl数（Pr）下，较大的Rayleigh数（Ra）范围内对热对流的流动形态进行研究。采用直接数值模拟（DNS）计算二维湍流热对流，对大Pr = 10、20的热对流大尺度环流形态进行研究，Ra范围是1×10⁸～1×10¹²，同时与Pr = 4.3情况进行了对比分析。结果表明：大Pr数的热对流大尺度环流存在三种形态，方形、椭圆形和圆形，小Pr数只有椭圆形和圆形两种；方形的最大速度点在侧壁附近，椭圆形大尺度环流的最大速度点在椭圆与角涡的相剪切处，圆形的最大速度点随机出现在大尺度环流周长线上；方形到椭圆形的转变是一种渐变，存在过渡点，而椭圆形到圆形是突变；大尺度环流的长短轴之比，方形时在1.0～1.2之间，椭圆形时在1.2以上，而圆形时基本为1；大尺度环流形态变化影响Reynolds数（Re）的变化规律：补偿Re数变化规律显示，大尺度环流形态由方形渐变为椭圆形时，Re数出现小量下降，过渡点出现极小值，由椭圆形突变为圆形时，Re数出现间断式大幅下降。

盐指型双扩散湍流二维直接数值模拟研究

杨延涛

2022, 40(2): 182-187, 207. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0365

摘要(188) HTML (95) PDF(39)

摘要:
针对海洋相关盐指型双扩散湍流开展了二维直接数值模拟研究，特别关注了四种不同物性参数组合情况下，传输特性和流动结构随瑞利数和密度比的变化趋势。结果表明：温度努塞尔特数、盐度努塞尔特数和流动雷诺数随瑞利数的整体变化规律受密度比的影响较小，但其具体数值随密度比的增加而减小；密度比的影响幅度随着组分扩散率比值，即刘易斯数的增大而减小；相关变化规律可由幂律模型描述，且基于数值模拟结果本文确定了四种物性参数组合所对应的幂律指数。对于大多数算例，流动主导结构为盐指。对具有小刘易斯数和大瑞利数的数个算例，主导结构变为类对流涡结构。对所有物性参数组合，盐指水平宽度随瑞利数变化趋势与线性稳定性分析给出的结果类似。这些结果对理解海洋盐指双扩散湍流、以及实验和模拟结果应用于真实海洋流动等方面有重要的意义。

热湍流多重态与热输运效率实验研究

谢毅超, 陶鑫, 任磊, 夏克青

2022, 40(2): 188-198. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0386

摘要(911) HTML (139) PDF(37)

摘要:
湍流多重态是近期湍流研究的热点问题。多重态是指在相同的控制参数下，湍流系统会出现不同的流动结构和统计特性。文章通过实验研究，分析了Rayleigh-Bénard 热湍流系统中的多重态现象以及湍流态与热输运的关系。首先借助粒子图像测速技术直接测量了偶极子流态和四极子流态的空间结构，结果表明通过温度场和速度场测量得到的大尺度湍流结构信息是一致的。通过流动结构和热输运同步测量发现热湍流中存在以不同大尺度湍流结构为典型特征的多重态现象，且高阶模态主导的湍流态的热输运效率高于低阶模态主导的湍流态，说明高对称性流态热输运效率高于低对称性流态，为通过调控大尺度湍流结构从而调控热湍流输运效率提供理论基础。随着热湍流控制参数Rayleigh数的增加，大尺度湍流结构会由高阶模态主导的流态演化到偶极子流态，这里偶极子流态对应于最低阶的流动模态。此外，研究中采用的圆环对流腔体会引入空间约束效应。进一步分析发现空间约束效应不仅会改变大尺度湍流结构的动力学特性，也会改变热湍流的热输运特性：当空间约束导致高阶模态主导的湍流态出现时，其会增强热湍流系统的热输运效率；反之，当空间约束导致低阶模态主导的湍流流态出现时，其则会抑制热湍流系统的热输运效率。

南海北部底层对流不稳定性研究

屈玲, 郭双喜, 鲁远征, 岑显荣, 黄鹏起, 周生启

2022, 40(2): 199-207. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0410

摘要(841) HTML (74) PDF(19)

摘要:
底层对流不稳定对海洋底层能量输运和湍流混合有重要影响。为评估底层对流不稳定对能量输运的贡献，基于2018年9月20日南海东北部东沙群岛海域（20.8953 °N，117.1808 °E，水深385 m）37 h锚定潜标高时空分辨率观测数据，对观测站位海洋底层水体的温度结构特征进行了分析，研究了对流底层厚度变化，及其对海洋底层能量输运和湍流混合的贡献。结果表明，观测站位对流底层出现的概率约为总观测时间的56%，其厚度平均值为6.17 m。底层平流为下坡流时，对流底层出现的概率约为50%，其厚度相对较小，均小于10 m；而为上坡流时，对流底层出现的概率约为70%，其厚度显著增大，可达到40 m。对流不稳定驱动的垂向热通量E_B和传热效率Nu具有间歇性特征，观测时间内E_B平均值为0.41 W/m²，Nu平均值为249.91，且对流热通量远高于底层流速剪切通量。对流底层湍流热扩散率和涡扩散率的评估结果表明，随着底层湍流混合强度的增强，对流不稳定对底层湍流混合的贡献率逐渐减小。

底面局部加热条件下热湍流的流场变化及传热规律

胡瑾, 章盛祺, 夏振华

2022, 40(2): 208-214. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0008

摘要(898) HTML (110) PDF(39)

摘要:
在实际的自然对流现象与工业对流换热设备中常常存在非均匀热边界问题，底面局部加热就是其中的一类。本文使用直接数值模拟方法研究了Pr = 2、Ra = 1×10⁸条件下，加热长度l = 0.5时，不同加热位置对二维方腔内热湍流流场变化及传热规律的影响。其中，下壁面为恒温加热及绝热条件共存的混合边界条件，而上壁面依然为等温条件。将局部加热计算结果与经典Rayleigh-Bénard对流（RBC）进行比较，结果表明：局部加热条件会对冷热羽流混合和系统下壁面角涡的生长产生抑制作用，从而抑制了大尺度环流的反转；同时，加热位置越靠近下壁面中心，对应总动能和角动量的绝对值越大、振幅越小；局部加热系统通过调整加热位置可令系统传热效率最大化，最高可达RBC系统的73.2%。

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

田野, 黄仕迪

2022, 40(2): 215-222. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0017

摘要(885) HTML (93) PDF(44)

摘要:
同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV 技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析Rayleigh-Bénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。

内置圆球阵列的Rayleigh-Bénard热对流传热特性

刘壮, 周全

2022, 40(2): 223-228. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0416

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摘要:
通过实验研究了内置圆球对Rayleigh-Bénard（RB）湍流热对流系统传热特性的影响。在对流槽内部加入有机玻璃圆球，通过改变圆球的直径和分布方式研究不同孔隙度$\phi$对RB系统传热的影响。Rayleigh数（Ra）从5×10⁷变化到2×10⁹，Prandtl数（Pr）固定为5.5。结果表明，当Ra较小时，填充圆球对RB系统的传热几乎没有影响；当Ra较大时，RB系统的传热得到增强，最大增幅达16%。

留言板

2022年第40卷第2期

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