有压梯度边界层流中湍流斑形成的机制研究

人们虽然对层流向湍流转捩过程的研究已经付出了许多艰辛的努力,但仍然有一个重要的物理现象还没有弄清楚,即有压梯度边界层转捩过程中湍流斑形成的理论机制以及湍流斑的运动特征是什么?这些问题正有待于人们做进一步的深入探索.本文提出一种以壁面局部脉冲的初始小扰动场来模拟有压梯度边界层流中湍流斑形成的物理模型.采用直接数值模拟的方法研究有压梯度边界层流中湍流斑产生的理论机制和发展规律;数值结果显示,它们在好多方面与湍流斑的基本特征相符.     

近壁湍流边界层壁面局部扰动诱导形成相干结构的动力学模型

在壁面局部脉冲扰动作用下,采用直接数值模拟的方法,数值研究了湍流边界层近壁区两个相干结构形成的理论机制和非线性作用问题.然后,通过数值计算的手段,进一步探讨了近壁湍流边界层流中两个相干结构之间的非线性作用机理,分别确定它们在流向、展向方向上排列的不同结构类型分布的两个相干结构之间相互作用的效果有何区别以及它们之间间距的大小对相干结构的产生和发展有什么影响,从而可能合理地解释平面剪切湍流中低速条纹结构出现的原因.     

纵向涡对矩形通道内湍流流动特征影响的实验研究

本研究用风洞实验对矩形通道湍流边界层内嵌入的涡发生器参数进行了筛选；测量了单个涡发生器沿纵向对双侧壁面近壁边界层流场的干扰特性和通道嵌入涡偶的流动特性。找出了通道内嵌入涡发生器形成对近壁边界层流场干扰的较理想的涡发生器参数和涡偶的布局形式。     

非定常分离流动的Lagrange方法数值模拟

本文对Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标系下的边界层方程进行了数值模拟。研究了静止流场中的线涡诱导的非定常边界层流动。数值结果表明，随着边界层接近分离，确实出现了有限时间奇性。流动在驻定点附近很窄的区域内堆积，并在垂直壁面方向迅速增长，形成一脉冲似的突跃。基于此现象讨论了非定常分离的性质和三种分离模式。采用Ｌａｇｒａｎｇｅ方法能很好地说明有限时间奇性，便干精确地给出分离的定义和判据，而且物理常清楚。Ｌａｇｒａｎｇｅ方法有着明显的解析和计算上的优点。     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

单排孔吸气诱导的层流边界层流场数值研究

结合单孔吸气感应的边界层三维流场的特点,使用Fluent求解器,数值模拟了单排孔吸气感应的三维层流边界层流场,研究了孔间距及吸气参数对流场结构的影响。结果表明：在孔间距为2倍孔径的条件下,纵向涡会相互作用形成一个周期性脱落的＂马蹄涡＂;在孔间距不小于5倍孔径的条件下,孔尾部都会形成类似＂牛角＂形的反向旋转纵向涡对;在孔间距为10倍孔径的条件下,吸气速度的增加以及位移边界层厚度的减小都会使得纵向涡的涡量峰值增大、涡核的间距增加以及涡核中心的距壁高度增大。该研究结果可为吸气层流流动控制的工程应用提供计算参考。     

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。     

非定常分离流动的Largrange方法数值模拟

本文对Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标系下的边界层方程进行了数值模拟，研究了静止流场中的线涡诱导的非定常边窠层流动，数值结果表明，随着边界层接近分离，确实出现了有限时间奇性。流动在驻定点附近很窄的区域内堆积，并在垂直壁面方向迅速增长，形成一脉冲似的突跃，基于此现象讨论了非定常分离的性质和三种分离模式，采用Ｌａｇｒａｎｇｅ方法能很好的说明有限时间奇性，便于精确地给出分离的定义和判据，而且物理意义非常清楚。Ｌａｇ     

涡与涡以及涡与附面层之间相互作用的试验研究

涡由叠合式三角形涡流发生器产生。对涡与涡之间的相互作用研究表明,反向旋转涡之间相互作用使得相邻涡之间向上或向下速度增加。同向旋转涡之间相互作用造成相邻涡的干扰,使涡变弱。对涡与附面层之间的相互作用研究表明,涡改变了附面层的速度分布,使附面层内层速度分布饱满,减小了附面层形状因子。附面层对涡的作用使得涡的耗散大大加快,涡量减小,涡核半径变大,涡的有效作用距离减小。      

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。     

三面压缩高超进气道附面层抽吸研究

针对超燃冲压发动机中,三面压缩进气道激波/附面层干扰诱发的隔离段流向涡现象,探索了不同的附面层抽吸方式对隔离段流向涡的影响.结合附面层油流图谱及数值模拟考察了相应附面层流态,并分析了不同抽吸工况下的抽吸流量及其对出口截面总压恢复与流向涡的影响.发现隔离段流向涡气流主要源于侧壁附面层分离,相比于再附区抽吸,分离区抽吸大幅度抑制了侧壁附面层的分离流动,从源头上控制了隔离段流向涡的形成,大幅削弱了流向涡尺度,提高了进气道总压恢复.同时,抽吸面积越大,流动品质的改善作用就越明显,但是也伴随着流量损失.      

Numerical and experimental investigation into hypersonic boundary layer transition induced by roughness elements

In this work, the Direct Numerical Simulation(DNS) and Oil-Film Interferometry(OFI)technique are used to investigate the hypersonic boundary layer transition induced by single and double roughness elements at Mach number 5. For single roughness, the DNS results showed that both horseshoe vortices and hairpin vortices caused by shear layer instability can affect the boundary layer instability. The generation of the near-wall unstable structure is the key point of boundary layer transition behind the roughness element. At the downstream of the roughness element, the interaction between horseshoe vortices and hairpin vortices will spread in the spanwise direction.For double roughness elements, the effect of the spacing between roughness elements on the transition is studied. It is found that the case of higher spacing between roughness elements is more effective for inducing transition than the lower one. The interaction between two adjacent roughness elements can suppress the evolution of horseshoe vortices in the downstream and trigger the instability of shear layer. Thus, the transition will be suppressed accordingly.     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

叶尖间隙对高负荷风扇转子性能影响的数值研究

在不同叶尖间隙下,对高负荷风扇转子的特性进行了研究;通过数值方法分析了叶尖间隙对转子特性的影响。结果表明:适当小的叶尖间隙可以使转子获得较好的性能;作为泄漏流的反应,外壁机匣上所形成的静压槽随着间隙的增大、反压的提高而扩大;在不同叶尖间隙下,叶尖附面层和泄漏涡的破裂对风扇转子的失速起不同作用。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40％左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。