三维定常分离流和涡运动的定性分析研究

本文由两部分组成。第一部分研究和分析了物体表面上的分离形态,指出若分离线从奇点始,该奇点为鞍点;若在奇点终,该奇点为结点。若分离线上有很多奇点,其鞍点和结点是交替分布的。分离线的起始,可能有三种形态:一种称之为闭式分离的鞍点起始;一种为正常点起始;一种为鞍、结点组合形态起始。可以把正常点起始和距离很近的鞍、结点组合形态起始称之为开式分离。在一定条件下,闭式分离的形态,先转变为鞍、结点组合的形态,然后过渡到正常点的开式分离。第二部分研究了旋涡沿其轴线发展过程中,其横截面流线形态的发展,指出旋涡轴线上物理量λ=(1/ρ)(ρw/z)是决定流线形态的重要参量。如果λ>0,截面流线在涡心附近是稳定的螺旋点形态。如果λ<0,为不稳定的螺旋点形态,如果λ=0,流线形态是中心型的,当沿涡轴λ由正变负或由负变正时,相应在涡心附近截面流线由稳定螺旋点形态变为不稳定螺旋点形态,或由不稳定螺旋点形态变为稳定螺旋点形态;并且从λ由正到负的变号点起,截面流线产生稳定的极限环,或从λ由负到正的变号点起,产生不稳定的极限环。旋涡破裂只能发生在截面流线为不稳定螺旋点形态的区域中,在通过涡轴的纵向平面内,破裂点处的流线形态是鞍型的。破裂涡的合拢点处在不稳定的极限环区域内。     

三维定常粘性流动的分离条件及分离线附近流动的性状

本文给出了三维定常粘性流动的分离条件,考查了分离线附近流动的性状,指出对NS方程所描述的实际流动,分离线为壁面极限流线的“收拢渐近线”,且本身也为极限流线。文中研究了分离线的起始和终结,指出开式和闭式起始的分离线除无限向后延伸外,再有只能是焦点和结点终结。分离线的起点不能是焦点或结点,其终点不能是鞍点。对再附线亦给出了相应的结论。最后讨论了决定分离线位置的方法。     

分离线上的奇点以及分离线的形态

本文研究了分离线上的奇点,指出分离线有四种基元形态,复杂流动的分离线,可通过这四种基元形态组合而成。文中证明,同存在由鞍点始到结点终的分离线一样,其上无奇点的开式分离线是存在的。另外还存在具有螺结点类型的分离线。文中研究了分离线上奇点的分布规律,指出分离线上鞍点的总数或与结点的总数相等,或者差一个,且鞍点和结点是交替相间分布的。     

二维可压缩自由剪切层的理论分析

本文从"二维可压缩自由剪切层存在相对稳定的大尺度拟序涡结构,流场应该满足什么样的条件"这样一个反问题出发,应用常微分方程奇点理论对NS方程进行了分析,维持大尺度拟序涡结构的条件是流场内有交替出现的能量不平衡点,鞍点是温度极大值点,结点是温度极小值点;压缩性增加抑制了结点的生成和持续,是导致可压缩自由剪切层厚度增长速度比不可压情况变小的机理;得到的结论可以合理解释现有的物理现象.其次,对于目前研究可压缩自由剪切层广泛应用的对流马赫数进行讨论,认为在建立过程中采用鞍点是压力极大值点假设条件不合理,得出的公式不能反映介质特性,本文采用鞍点是温度极大值点作为假设条件,提出新的求解对流马赫数的公式.根据流动机理分析,提出通过在流场内建立交替出现的鞍点和结点,触发大尺度拟序涡结构,解决超燃冲压发动机混合问题;理论上给出大尺度拟序涡结构频率条件.     

基于CFD的高速切削层流模拟

 高速切削塑性变形的本质是位错的不可逆运动与增殖,切削时固体的黏滞力与位错速度成正比,材料的黏性效应在材料的动态力学行为中起到越来越重要的作用,因此从流体的角度去理解比从固体的方面去认识更符合其特点。本文描述了高速切削的位错阻尼机理,建立了基于流体力学的高速切削理论模型,利用计算机模拟技术得到了高速切削时的速度场、压力场和应变率场,为高速切削研究提供了新的思路。通过分析计算结果得出如下结论:在刀尖上方存在速度滞止点,此处速度为零,压力最大,其位置变化影响着刀具寿命和工件已加工表面的质量;从压力最大点开始,压力值沿前刀面逐渐减小直到某处为零,此点即切屑与前刀面分离点;剪切面(刀尖与自由表面拐角处连线)上应变率最大,然后由此向外依次减小。     

定常三维分离准则探讨

本文从奇点理论拓扑规律出发,说明在垂直于分离线及物面的截面上的截面流线有半鞍点存在,进而说明Lighthill等人认为的极限流线要在分离线以前抬起来是不合适的。合理的说法应该是极限流线总是同剪切应力线一致。只有在进入奇点以后,极限流线才抬起来离开物面。本文最后表明,单纯把二维分离准则用到三维分离的情况是不够的,并给出三维分离准则的表达式。     

三维超声速压力反问题的特征线求解技术

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,基于双特征线理论及Butler解法,研究了三维超声速流线压力反问题的适定性。为了确保解的唯一性,提出在限定壁面膨胀/压缩方向时存在壁面压力与三维坐标的一一映射关系。基于该映射关系,提出了三维压力反问题的双特征线求解技术(iMOC-3D求解器)。采用Prandtl-Meyer膨胀波、Busemann进气道的理论解,对iMOC-3D求解方法的膨胀、压缩过程进行了精度评估,误差均为1×10~(-4)量级。为了进一步验证设计方法的可靠性和易控性,设计了进口为矩形和三角形的超声速喷管;通过设计壁面压力分布,完成了均匀膨胀的轴对称喷管设计,并将设计结果与数值模拟进行对比验证。研究表明:预设三维流线下游未知点的压力值,存在多个流动方向满足该压力条件,即该问题的解不唯一,因此三维超声速流线压力反问题是非适定的。对比验证表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,流场参数的最大误差为1%。因此,所提出的双特征线解法具有一定的可靠性,有望为三维超声速流道设计提供新思路。     

三维分离模式与开式分离研究

 <正> 1.问题的提出 对三维分离的研究仅仅是近三十年的事,曾先后提出过多种分离模式。目前,为大家所应用的有两种模式。一种以Maskell为代表,他们认为分离线是其两侧极限流线的包络,通常称为包络模式。另一种以Lighthill为代表,他们认为分离线开始于鞍型奇点,结束于分离结点,分离线本身是一条流线,同时也是附近其它极限流线的渐近     

油流显示技术和油流谱分析原理

本文概括了油流显示技术的基本原理,并通过实验证明油流流线实际上是壁面摩擦应力线的反映。在此基础上利用微分方程相平面理论分析表面油流谱的局部特性和对流谱局部地进行分类。本文以大量的实验油流谱图画,探讨了油流谱中螺旋点与鞍点的连接特性,提出了这种流谱特性与由螺旋点发出的旋涡这一流动现象之间存在物理上的内涵关系。     

利用流线法决定绕扁长椭球流动分离的位置

本文按照流线法把所测量的扁长椭球的压力分布用于决定涡层型三维流动分离,按边界层边缘处流线会聚的位置近似地决定分离线的位置。作为算例,计算了扁长椭球体在α=30°状态下的绕流,并在水洞中作了流场显示,数值结果和实验结果的对比表明,二者十分一致。分析表明,涡层型分离不仅与壁面极限流线的收敛有关,而且还与边界层边缘处流线会聚有关,前者的出现并不是引起涡层型流动分离的充要条件。