基于间断有限元方法的可压缩混合层中大尺度结构和压缩性效应的数值模拟研究

基于间断有限元方法(DGM),对二维和三维、对流马赫数Mc=0.4和0.8的空间发展的可压缩混合层进行了数值模拟,并对混合层中的大尺度结构及压缩性效应进行了研究.重点观察了大尺度结构随压缩性变化的全景图像,文中采用λ2方法定义三维流动中的大尺度结构,流场中能够观察到大尺度的涡结构森林.当前数值模拟表明混合层的湍动能和雷诺应力随对流马赫数的增加而降低,这对RANS和LES模型的建立具有一定的参考意义.本研究也表明,间断有限元方法能够成功地应用于可压缩湍流的数值模拟.     

超声速混合层液滴两相流动的大涡模拟

为研究超声速气流中液滴与气流的混合及液滴蒸发对混合的影响,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构,气相流场采用亚格子(SGS)模型和切应力输运(k-ωSST)湍流模型,液相模拟采用轨道模型和单液滴蒸发模型。在混合层前缘入口处均匀持续地投放液滴,并在液滴入口处下方添加非周期小扰动,并观察液滴蒸发过程对该小扰动造成的影响。分析了入口小扰动在流场中不同的发展情况,发现液滴的蒸发过程使混合层厚度增加并加速混合层的发展,对气相流场扰动较强,可能导致流动失稳,对混合过程有很大的促进作用。     

可压涡卷对并的燃烧反应放热效应分析

通过以高精度迎风/对称紧致差分杂交算法对组元输运守恒方程和含源项流动Navier-Stokes方程的全耦合求解,在无放热、低放热和高放热三种情形下,对可压平面混合层中大尺度涡卷对并所受反应放热效应现象进行了直接数值模拟研究.对比显示,高放热下无涡并出现,亚谐扰动将基频涡卷雏形撕裂,直接形成大尺度亚谐涡卷.文中还分析了不同反应放热量对混合层厚度、产物生成率以及流场脉动行为特征等方面的影响.     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。     

可压缩混合层的涡结构演化与流质混合

为研究可压缩混合层的流动结构,采用七阶精度广义紧致格式离散对流项和用显式八阶精度的中心格式离散粘性项,数值求解了非定常三维可压缩Navier-Stokes方程。用约4亿规模的网格,直接数值模拟了对流马赫数为0.7的超声速可压缩混合层的空间发展流动,获得了自初始流动失稳直至充分发展湍流流动结构的精细演化历程,所得结果表明:大尺度涡结构的生成使得混合层的动量厚度快速增长,并主宰了由被动标量质量分数展示的可视混合厚度的量级,充分发展湍流的小尺度的结构主要使得该量级厚度内的流质混合趋于均匀,对可视厚度增长的贡献非常有限。     

可压混合层涡并放热效应的涡动力分析

 基于双元单步不可逆燃烧动力学简化模型 ,采用紧致差分算法直接求解二维可压 Navier-Stokes方程 ,研究了时间发展非预混扩散火焰平面反应混合层流动。拟序结构由数值线性稳定性分析方法设定的粘性可压最不稳定小扰动初场促生。随放热强度增大 ,得到了基频涡卷撕裂现象。涡动力分析表明 ,放热主要通过膨胀和斜压这两种强非线性过程抑制大尺度剪切涡的演化     

湍流燃烧的动态自适应直接数值模拟

为了能以较低的计算成本分辨多尺度的湍流燃烧过程,发展了基于动态自适应网格技术的湍流燃烧直接数值模拟方法。在氢气/空气层流预混火焰传播的模拟中,准确计算出了火焰传播速度,表明该方法具有直接求解火焰以及精确捕捉火焰传播过程的能力。在衰减的各向同性均匀湍流的模拟中,借助FFT分析获得了合理的湍动能谱线随湍动能衰减的变化规律,表明该方法能够直接求解湍流。由于在实际应用中,点火发生的位置与低温机理的速率相关,因此在氢气/空气湍流预混火焰中研究了湍流对低温机理的影响,发现湍流输运以及湍流涡团间强烈的拉伸和剪切对低温机理有明显的加速作用,能显著增强放热。     

应用修正的k-ε模型研究超声速H2/Air燃烧

为了研究超声速燃烧中流体可压缩性的影响,对标准k-ε湍流模型进行可压缩性修正(包括结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正两部分)。分别应用标准k-ε模型、修正的k-ε模型和雷诺应力模型(RSM),考虑氢气/空气详细化学反应机理(GR I-M ech 2.11机理,10组分,28基元反应),数值模拟有壁面限制的超声速混合层冷态及热态流场。结果表明:壁面和燃烧对湍流影响都很大;修正模型对冷态以及燃烧场的预测结果优于其它两个;修正模型预测的混合层厚度更薄,燃烧区域更窄,与实验结果吻合地更好。     

燃料射流隔板对受限超声速反应混合层流场和燃烧特性影响

为了研究燃料射流隔板壁面扰动对于受限超声速反应混合层流场和燃烧特性的影响,基于抽象物理模型激波和膨胀波理论推演,得到了隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场结构,并采用数值模拟方法进行了验证。数值结果表明,隔板诱发壁面扰动下的受限超声速反应混合层流场主要由冷态主导,且相对无隔板扰动多了回流区、激波、膨胀波、波与反应混合层相互作用等复杂现象。在此基础上,对于不同隔板厚度计算的结果表明,随着隔板厚度的增加,隔板下游的回流区增大,上下膨胀产生的压力不平衡加剧,反应混合层会产生偏斜,回流区厚度和偏斜距离与隔板厚度成正比。此外,第一道反射激波存在降低点火延迟的作用,且存在一个隔板厚度阈值,阈值以下随着厚度增加点火延迟随之降低。同时,后续的多道反射激波导致混合层发展的局部起伏和局部燃烧增强。     

强迫振动下超声速混合层的掺混特性

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有重要影响.与无振动下相比,强迫振动使混合层的失稳位置提前,卷起的展向涡尺度变大,加快上下两层流动的混合.同时,强迫振动下,动量混合和标量混合更加充分.振动频率为4500Hz时,雷诺应力峰值提高约48%,薄平板后缘下游160mm处,动量厚度增长120%.      

边界层中湍动能和耗散能最大的尺度分量特征研究

阐述了利用离散正交小波理论分析 1 -D湍流测试信号的方法,使用热线风速仪,在 3个雷诺数下,分别测量了光滑壁面湍流边界层的速度和加速度信号。运用所述方法分析了边界层测试信号,给出了最大湍动能密度和最大耗散能密度及其对应尺度沿 y+ 的分布曲线,并且给出该尺度分量的发生频率沿 y+ 分布曲线。分析可见 :两种最大能量密度的无量纲尺度沿 y+分布具有雷诺相似性,其发生频率随着雷诺数增加而增加,但是最大湍动能密度尺度的频率沿 y+基本是一常数;无量纲的最大湍动能密度沿 y+在边界层小部分区域具有雷诺相似性,而无量纲的最大耗散能密度沿 y+ 在整个边界层内具有雷诺相似性。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE TURBULENT COHERENT STRUCTURES OF LAMINAR SEPARATION FLOW OVER A BACKWARD FACING STEP

ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＮＴＨＥＴＵＲＢＵＬＥＮＴＣＯＨＥＲＥＮＴＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＯＦＬＡＭＩＮＡＲＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮＦＬＯＷＯＶＥＲＡＢＡＣＫＷＡＲＤＦＡＣＩＮＧＳＴＥＰＷａｎｇＪｉｎｊｕｎ；ＬｉａｎＱｉｘｉａｎｇ...     

超声速混合层燃烧研究进展

超声速混合层燃烧研究是解决超声速燃烧难点的有效途径,对于超燃冲压发动机的发展具有重要意义。这一领域在过去20多年中开展了大量工作,需要对此进行总结。由于无反应超声速混合层流动特性研究是超声速混合层燃烧研究的基础,因此,首先综述了该流动特性,包括瞬时流场结构和时均统计特性;其次,讨论了着火特性,包括着火距离和着火过程;再次,综述了火焰特性,特别是火焰结构;然后,关注了熄火特性;接着,对释热和可压缩性影响进行了总结;最后,给出了燃烧不稳定性的研究进展。通过综述可知,超声速混合层燃烧研究仍需开展大量工作。在着火特性、火焰特性和熄火特性方面,后续研究可重点采用湍流数值模拟和详细反应机理,研究着火过程、火焰传播过程和熄火过程,以及流动参数、热力学参数、组分参数和外界因素对着火距离、火焰结构和熄火位置的影响;在释热和可压缩性影响方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究高释热和高可压缩性条件下有反应超声速混合层的瞬变特性和统计特性;燃烧不稳定性方面,后续研究可采用高精度数值或实验方法,重点研究超声速混合层燃烧不稳定性产生的普遍准则及其内在机制。     

后向台阶层流分离湍流结构的实验研究

实验研究是应用 LDV及氢泡显示技术在水流中进行的。得到了剪切层厚度、涡量厚度、拟序结构以及再附后壁面切应力、边界层形状因子等的变化规律。对流动再附后壁面附近带条结构进行了详细分析。结果表明在流动再附后 2 0倍台阶高度处形成湍流边界层     

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.0034,而相对推力下降了0.081.      

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.      

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。