旋涡破裂引起的流动非定常特性

采用隐式近似因子分解法,通过求解三维、非定常、可压缩完全层流N-S方程,对绕大后掠三角翼旋涡破裂的流场进行了数值模拟。结果表明：当三角翼背风区流场发生旋涡破裂时,各流动参变量是非定常的,同时旋涡破裂点的位置沿轴向在一定范围内前后摆动。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨（叶顶无端壁）上的梢涡流动不同，叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度（叶片梢部与端壁的距离）共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理，本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中，开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验，获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态，以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验，获得了局部全湿流场（无空化状态）中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验，研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理，并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明，在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构，分别是梢分离涡和梢泄涡；稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素；翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。     

弯扭管道引起的旋涡畸变对离心压气机气动性能的影响

为了研究弯扭管道进气产生的旋涡畸变对离心压气机气动性能产生的影响,采用数值模拟及实验的方法进行研究。首先明确了管道出口截面二次流场结构随扭转角度的演化过程,发现随管道扭转角度增大,旋涡结构在孪生涡和偏置涡之间变化;当扭转角度等于90°时,管道出口近似呈现团涡结构。研究表明,与孪生涡相比,近似团涡的旋涡形式对压气机性能的影响更显著。在设计转速下,当近似团涡的旋涡方向与叶轮转动方向相同时,压气机压比和效率的下降量约达25%,并减小了喘振流量;而旋涡方向与叶轮转动方向相反时,压气机性能无明显变化,喘振流量同时增大。通过阐述不同叶高气流旋涡角度、旋涡强度与相对气流角之间的关联关系,发现叶轮进口气流旋涡在不同叶高位置上的旋涡角度和强度改变了叶片前缘相对气流角,进而对进气攻角产生明显作用。     

具有轴向流的可压缩非定常旋涡流

本文研究埋定常轴对称自由旋涡流动结构的可压缩效应，探索旋涡的密度变化，粘性扩散和热传导的耦合作用机制。在回顾了前人某些典型结果之后，首次给邮了具有轴向拉伸率的可压缩非定常轴对称自由旋涡在高Ｒｅ数和小Ｍ数下的近似解析解。     

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

轴向通流旋转盘腔流动换热的数值研究

为了探究旋转盘腔内的流动和换热规律,对轴向通流旋转盘腔进行了非稳态数值模拟,将计算结果与实验数据进行了对比,探究了流动不稳定性的发展过程,分析了盘腔内流动结构和盘面换热特性随旋转雷诺数的变化规律。结果表明:旋转引起的正旋涡从盘罩附近开始发展,随转速的增大而变大,挤压低半径区域的强迫对流区,最终扩展到整个盘腔,盘腔中轴面的涡对数与流动不稳定性的强度有关。上游盘和下游盘的高半径区域换热强度随转速的增大而增强,下游盘低半径区域的换热强度在低转速下由于冲击作用而较强,但该冲击作用随转速的增大而减弱,低半径区域的换热强度也就随之减弱。当旋转雷诺数增大到4.94×105时,下游盘低半径区域受到的冲击作用减小到可以忽略。     

绕三角翼旋涡流动的数值模拟

本文通过高清晰度的Ｎ－Ｓ方程数值模拟对绕大后掠三角机翼的旋涡流动结构及旋涡破裂进行了研究,给出了机翼背风面上复杂的旋涡流动结构,绘制了流动横截面上的截面流线。算例的计算采用了隐式近似分解格式。     

扩缩管充分发展层流的强化传热场协同分析

采用二维轴对称不可压缩层流N-S方程,利用有限体积方法和SIMPLE算法,在雷诺数100～1300范围内,对轴对称周期性扩缩管的充分发展层流流动和传热特性进行了数值模拟,重点研究了不同雷诺数、几何外形与换热强度的关系,并利用场协同理论对计算的结果进行了分析,获取了层流态下扩缩管对流换热强度随雷诺数、几何尺寸变化的规律,对进一步研究扩缩管换热问题、探讨强化传热理论和发展换热技术均有实际意义.     

纳秒脉冲等离子体分离流控制频率优化及涡运动过程分析

将纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电等离子体激励器应用到NASA SC（2）-0712翼型上,在迎角分别为15°和20°时,开展了在不同雷诺数下的分离流动控制研究。通过模型表面静压测量,得到了不同激励频率下的分离流动控制效果。对翼型表面压力进行分布积分,得到了在不同雷诺数和激励频率下的升力系数,表明分离流的控制效果有一个较宽的激励频率范围,只要激励频率落在相应的频带范围内,均能实现有效的分离抑制。流动显示结果表明,分离流的控制在瞬时表现为放电后可形成大尺度旋涡拟序结构。旋涡的周期性产生、运动和演化造成了分离剪切流动的动态变化过程,从而促进了高/低速气流的动态掺混。     

带有偏转扰流片翼型非稳定流场的分析研究

对带有可偏转的襟翼式扰流片的二维翼型所产生的流场进行了试验研究。通过亚音速试验确定了在两种雷诺数条件下改变扰流片的偏转角和迎角对流场所产生的影响。对平均表面压力和脉动表面压力以及尾流速度进行了测量，并且对尾流进行了纹影流动显形。给出了与扰流片流场非稳定特性有关的结果。研究表明，旋涡脱落是扰流片尾流的主要特征，它决定着整个流场的非稳定特性；旋涡脱落的特点与扰流片的偏转角有关；当扰流片偏转角较大时，脉动表面压力场(旋涡脱落频率分量)也较大。     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

有限长圆管内刚体旋转流的直接数值模拟

通过对三维不可压缩粘性流体的直接数值模拟,研究了有限长圆管内刚体旋转流在初始扰动下,扰动的增长和动力学演化过程.首先,通过改变流动的Reynolds数和旋转角速度ω,分析了轴对称流动中Reynolds数和ω对流动失稳的影响.对于高Reynolds数轴对称流动,利用数值模拟得到的不稳定结果与无粘线性稳定性理论预测的结果一致.最后,为进一步研究流动不稳定发展的三维效应,又进行了完全三维流动的模拟.数值结果表明,三维流动中不稳定的主导模态为螺旋模态,模态在线性段指数增长,导致流动产生螺旋型的漩涡破裂,之后经过非线性段的增长后达到饱和,流动最终发展为轴对称泡型旋涡破裂的稳定状态.     

Pω增强型k-ω湍流模型在三角翼旋涡流动的应用

在三角翼旋涡绕流数值模拟中,标准 Wilcox k-ω湍流模型生成项未考虑旋度的影响而导致预测的旋涡强度较弱。通过引入探测因子区分剪切层和涡核,在旋涡流动的高旋度区域增加ω方程生成项的方法,基于结构化网格上的 RANS 求解器,加入了 Pω增强型 k-ω湍流模型,对绕尖前缘三角翼亚声速和跨声速旋涡流场进行了数值模拟。计算结果与 NASA 的 NTF 风洞和 DLR 的 DNW-TWG 风洞试验数据进行了对比分析,结果表明：不论在亚声速还是跨声速自由来流条件下,Pω增强型 k-ω湍流模型计算的压力分布、涡破裂位置均与试验数据吻合良好,准确地预测出了三角翼上翼面的主涡、二次涡结构,特别是跨声速条件下激波干扰导致的涡破裂的临界迎角及涡破裂位置,表明 Pω增强型 k-ω湍流模型在绕三角翼旋涡流动数值模拟中具有良好的适用性。     

低雷诺数下尾迹与分离边界层的相互作用研究

 用有压力梯度平板模拟典型后加载负荷分布形式下低压涡轮吸力面边界层的发展，研究尾迹与分离边界层的相互作用，并对比了雷诺数变化的影响，还分析了在很低雷诺数下尾缘脱落旋涡和分离区的相互作用。结果表明，在相同出口马赫数下，随着雷诺数降低，壁面等熵马赫数发生变化，峰值马赫数有所降低。尾迹与分离区的相互作用，通过在分离区诱导卷起的旋涡，产生湍流以及Calmed区，抑制边界层分离。当雷诺数很低时，分离区与尾缘脱落旋涡的非定常现象需要在涡轮设计中给予关注。     

空腔内旋转流动LDA整场测量及实验Re数恒定方法

空腔内的旋转流动常常波及二次流、旋涡破裂等复杂问题，在整场流动实验测量中，必须长时间保持恒定工况。目前文献中的作法一般是采用高精度的恒温水域，但系统复杂、控制精度受限制。笔者介绍了一种根据实测温度调变速保持实验Re数不变的方法。实验表明，该方法简单易行，并能将流动在长时间内高精度地保持在同一工况Re数内。最后给出了采用这种方法的整场和旋涡破裂区域风速度分布的LDA测量结果。     

封严篦齿腔内流动及旋涡分布和顶板换热特性的实验研究

自行设计了吸气式篦齿换热风洞并对篦齿腔内部旋涡分布及流场和篦齿顶板换热特性进行了详细的研究。测出了在不同雷诺数和齿隙比篦齿腔中旋涡分布和顶板换热规律。从机理上分析了雷诺数和齿隙比对篦齿腔内流动旋涡分布及顶板表面局部换热规律的影响。     

来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响

针对高超声速飞行器表面缝隙内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的计算流体力学(CFD)软件。利用该软件研究了来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响。计算结果表明:随着来流雷诺数的增加,缝内旋涡结构呈现主涡个数增多形态趋于饱满的变化趋势,缝隙壁面绝对热流和无量纲热流增加;随着来流马赫数的增加,缝内主涡个数、形态基本不变,但主涡旋转速度增加,缝隙壁面绝对热流增加,无量纲热流基本不变;随着来流迎角的增加(迎角较小时),缝内旋涡结构和热流变化规律基本与增加来流雷诺数相同。由此分析可知,涡量向下传递并形成旋涡的距离,即形成所谓"死水区"的深度,主要由来流雷诺数和来流迎角决定。     

小振幅振荡圆柱域内部的定常整流旋涡流动

对充满静止不可压缩粘性流体的圆柱形，当柱壁沿垂直于柱轴方向作小振幅简谐振荡时的内部流动进行了实验研究，发现柱壁振荡在圆柱域内也诱导形成旋涡形态的定常整流流动。流动图谱随不同的振荡参数组合呈现四涡形态、双涡形态以及足印状双涡和蝶状四涡的过渡形态，并初步给出了不同整流图谱随数变化的演化规律。     

旋涡对翼型的气动干扰

用数值模拟方法研究了旋涡对翼型的气动干扰。出发方程是N-S方程。数值格式为Beam-Warming格式。结果表明,旋涡位置改变,其对翼型的气动(激波和升力)干扰随之有显著变化;涡的有利干扰可使翼面上流动分离受到一定程度的控制,导致翼型升力增大;涡的位置和强度的合理组合能有效地提高升力。计算还表明,单一旋涡扫过翼型时平均升力将提高50％左右。