槽道突扩流动回流区动态特性及脱落涡演化机理研究

This project aims to investigate the recirculation zone based on the open channel with free surface, explore the relationship between the length of the recirculation zone and their mutual effects, research the turbulent characteristics in the mixing layer and finally, indicate the vertical confinement effect for the large scale vortex shedding and the essential mechanism. The research content in this program includes three parts: (1) Investigating different controlling parameters including expansion ratio, water depth and bed-friction number which influence the forming progress of recirculation zone. Combined with database of experiment data and numerical simulation data, building the predicting model of the length of recirculation zone, analyzing the length with function of the controlling numbers through non-linear regression. (2) Deeply exploring the turbulent characteristics inside the mixing layer, for example, Reynolds Stress, turbulent kinetic energy and also the structure of vortex shedding. Furthermore, quantitatively indicating the confinement of the free surface to this region. (3) Investigating the generating, developing and advection progresses of the large scale vortex under different conditions; Analyzing the mutual influence between fluid local structure and multi-scale vortex shedding, revealing the confinement between the free surface and the bottom acting to the form and size of the vortex shedding. This research uses experimental, numerical and analytic methods to investigate, furthermore focuses not only improve the mechanism of the fluid dynamics, but also provides application on the engineering such as protecting the water environment. This project aims to publish 3 to 5 articles indexed by SCI.

本项目基于自由表面条件下的槽道流动展开回流区特性的科学研究，探索回流区长度对于流动控制参数的依赖关系及耦合作用，研究回流区边界处混合层的湍动特性，揭示自由表面与槽道底部的垂直限制作用对于大尺度脱落涡结构的作用机理。研究内容包括：（1）探索不同的控制参数包括扩展比、无量纲水深和底部摩擦系数对于回流区形成的影响和相互作用机理。结合数值计算和实验分析，建立回流区长度的预测数学模型，利用非线性回归解析回流区长度与控制参数的关系。（2）深入探索混合层内部的湍流特征，如雷诺应力、湍动能强度以及涡结构等相关特征，定量指出自由表面的限制作用对其影响的作用机理。（3）研究不同流动下脱落涡的产生、发展和迁移的过程；分析流动局部结构与多尺度湍流旋涡结构之间的相互作用，揭示自由表面和槽道底部对脱落涡的形态和大小的限制作用。本项目采用实验研究、数值计算和理论分析相结合的方法进行研究，不仅对流体力学基本理论有着积极推进作用，同时对于保全水生环境等工程应用具有指导意义。拟在国际著名学术刊物上发表SCI论文3-5篇。

本项目基于自由表面条件下的槽道流动展开回流区特性的实验和数值模拟研究，探索回流区长度对于流动控制参数（底部摩擦系数S，扩展比Rb，相对水深h/d）的依赖关系，研究回流区边界处混合层的湍动特性，揭示自由表面与槽道底部的垂直限制作用对于大尺度脱落涡结构的作用机理。本项目通过实验和数值模拟相结合的方式探索回流区的特性，不仅对流体力学基础理论有着积极推进作用，同时对于保全水生环境等工程应用具有指导意义。.研究内容包括：（1）探索不同的控制参数包括扩展比、无量纲水深和底部摩擦系数对于回流区形成的影响和相互作用机理。结合数值计算和实验分析，建立回流区长度的完整数据库。（2）深入探索混合层内部的湍流特征，如雷诺应力、湍动能强度以及涡结构等相关特征，定量指出自由表面的限制作用对其影响机理。（3）研究不同流动下脱落涡的产生、发展和迁移的过程；分析流体微观结构与多尺度湍流旋涡结构之间的相互作用，揭示自由表面和槽道底部对脱落涡的形态和大小的限制作用。.实验方面，设计并且搭建了8.5米长槽道实验台，完成h/d，S和Rb三个参数的灵活改变的功能，包括扩展段、流动出口变量机构。通过拼接技术突破了大尺度PIV的流场重建,完成了POD方法的建立和分析，完成POD算法的编写，能通过分析记录流动的快照组得出各个模态，并且结合频谱曲线进行涡动态分析。.本项目通过实验和数值模拟相结合的方式探索回流区的特性，不仅对流体力学基础理论有着积极推进作用，同时对于保全水生环境等工程应用具有指导意义。同时，探讨丁坝后回流区的流动机理不仅具有重要的水力学研究价值，也对丁坝的实际工程应用有现实指导意义。更多的，结合流动开展了冲击式水轮机的相关预研工作，支撑后续基金的申报和完成。