粘弹性流体分形网格湍流能量输运模式及减阻机理研究

In order to investigate the influence of fluid viscoelasticity on isotropic turbulence without wall effect, this program innovatively proposes to study the turbulent energy transport model and drag-reducing mechanism of grid turbulence with viscoelastic fluids. The main research contents are shown as follows: (1) to build the experimental system of channel flows with fractal grids, and using the two-dimensional particle image velocimetry, to obtain the velocity field of fractal grids with the Newtonian fluids and viscoelastic fluids under different control parameters; (2) based on experimental data, to discuss the influence of fluid viscoelasticity and grid fractal characteristics on the classical Kolmogorov turbulent energy transport model and to illustrate the influence trend on the characteristics of vortex structures; (3) building low-dimensional dynamical model and closure model, to study the time-space developing characteristics of fractal grid turbulence with viscoelastic fluids, and then to illustrate intrinsic mechanism of flow evolution and drag-reducing mechanism. The research results of this program will give the important guidance meaning for the practical application of viscoelastic drag-reducing technique, and establish the foundation for the build of the sub-grid stress model in drag-reducing flows.

为探索流体粘弹性和网格分形特征对无壁面效应的各向同性湍流特性的影响，本项目创新性地提出了开展粘弹性流体分形网格湍流能量输运模式及减阻机理研究。研究内容为：（1）建立分形网格槽道湍流实验系统，利用二维粒子图像测速仪获得了不同控制参数下牛顿流体和粘弹性流体分形网格湍流速度分布，分析流体粘弹性和网格分形特征对网格湍流的结构特性和统计特性的影响；（2）基于实验数据库，从谱空间出发探讨流体粘弹性和网格分形特征对经典Kolmogorov湍动能输运模式的影响，并揭示其对旋涡结构特性的影响规律；（3）构建低维动力学模型及封闭模型，研究粘弹性流体分形网格湍流的时空发展特性，揭示流场演化的内在机制及减阻机理。本项目研究成果将为粘弹性流体湍流减阻技术在实际工程中的应用提供重要指导意义，且为减阻流动大涡数值模拟亚格子应力模型的建立奠定基础。

本项目研究基于粘弹性流体的剪切稀变和弹性响应特性，探索流体粘弹性的存在如何影响网格湍流中的结构特性和统计特性。本项目设定的内容属于实现粘弹性流体湍流减阻应用中的机理性基础研究。.本项目主要研究内容为：（1）设计并搭建了高雷诺数流动下槽道网格湍流实验平台，采用粒子图像测试技术获得了不同参数下的牛顿流体和粘弹性流体的二维速度场信息，研究其结构特性和统计特性；（2）建立了槽道网格湍流直接数值模拟方法，以FENE-P模型表征粘弹性流体特性，开展了不同参数下流体粘弹性对网格湍流特性的影响规律；（3）建立了高雷诺数流动下槽道网格湍流雷诺时均数值模拟方法，采用Cross粘度模型表征粘弹性流体的流变学特性，分析零剪切粘度、特征时间以及幂律指数等对槽道网格湍流的影响规律。.基于上述研究内容，取得了重要研究成果：（1）网格的存在会有利于槽道流动的湍流混合，分形二网格中具有最大的平均速度，且湍流强度最大；（2）粘弹性流体的存在抑制了槽道网格湍流中的回流的产生，并增强格栅的作用距离；且粘弹性流体槽道网格湍流中具有更强的各向异性；（3）减阻率会随着零剪切粘度和幂律指数的增大而减小，随着特征时间增大而增大；（4）减阻溶液产生的减阻效果受网格和雷诺数影响，分形网格一具有最大的减阻率；（5）减阻添加剂的存在对传统网格幂律衰减影响不明显，流动仍遵循幂律衰减形式，仍可以用尾流相互作用尺度来预测湍流网格后最大湍动能的位置；（6）在传统网格、分形一网格和分形网格二中，湍动能峰值位置距离分别是尾流相互作用尺度的0.80倍、1.31倍和0.58倍。但减阻溶液只是降低了流动湍动能峰值大小，对于峰值出现的位置并没有产生影响。.研究成果将全面认识粘弹性流体网格湍流这一独特现象，将为今后粘弹性流体湍流减阻技术在实际工程中的应用奠定基础，并提供重要指导。