基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

应用GAO-YONG湍流模式数值模拟三维激波/湍流边界层干扰

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟了三维激波/湍流边界层干扰算例之一——单鳍流动.攻角20°,来流马赫数2.93,雷诺数9.8×105.对流项和扩散项分别采用Roe格式和二阶中心差分格式计算.Runge-Kutta显示时间推进方法求解了半离散的控制方程.包括壁面压力分布,边界层内流动偏移角等在内的计算值与试验数据进行了比较.准确地预测出了三维激波/湍流边界层干扰流场的主要流动特性——λ波结构,主分离涡核,膨胀区,滑移线等.计算与Alvi等提出的单鳍流动的理论模型符合很好,得到了平板表面压力以及分离线、再附线等在单鳍流动中所独有的半圆锥特性.      

合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25%,合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

高超音速后掠激波与边界层干扰流场特性

应用表面油流和液晶温度显示、表面热流率和压力测量四种测试技术,在Ma_∞=7.8、单位长度雷诺数尺Re_∞=3.5×10~7/m条件下,研究了30°迎角尖前缘翼面诱导激波和湍流边界层干扰流场特性。结果表明:表面流动是准锥型,在强相互作用下,流动发生了二次分离和再附,导致表面油流线的流向角、温度、热流率和压力分布均出现明显的凹坑。     

三维可压缩非定常流的壁面分离判据及其分离线附近的流动形态

通过引入依赖于密度的物面法向速度变换wr=-1/ρh1h2∫ozh1h2(e)ρ/(e)tdz,描述物理速度空间(ua,va,wa=u,v,w+wr)具有无滑移壁面条件的三维可压缩非定常连续方程可转换成变换速度空间(u,v,w)内具有无滑移条件定常连续方程.因此,采用定常壁面分离的分析方法和结论,再通过变换和研究wr的贡献,给出了三维可压缩非定常壁面分离的判则以及分离线附近的流动形态.研究指出,二维和三维情况下,都出现伴有壁外附着的壁面分离情况.数值模拟证实了理论和结论.     

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

等离子体激励控制激波与边界层干扰流动分离数值研究

针对高超声速进气道激波与边界层干扰流动分离控制问题,提出了一种低功率重频非定常激励方式,并基于雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程,从唯象学的角度出发,将等离子激励简化为功率密度源项,对比研究了定常与低功率重频非定常等离子体气动激励的作用机理与控制效果。结果表明:定常激励的能量沉积作用对于激波控制非常有效,并可诱导出斜激波,但是对于流动分离控制而言,其能量沉积显然过于强大,反而会使流动分离更加严重,无法满足控制要求;当采用低功率重频非定常激励方式时,对于不同功率密度的情况均存在最佳激励时长与频率,当功率密度为5.0×109W/m3时,最大射流速度可以达到895m/s,并且可以在一定程度上减弱激波与边界层干扰流动分离。      

TSTO并联分离激波/边界层干扰流动特性分析

针对两级入轨飞行器的缩比模型，通过试验与数值模拟相结合的方式，在马赫数6条件下开展典型级间距状态的激波/边界层干扰流场研究，详细分析干扰区壁面及空间的流动结构与特性。结果表明：试验中模型壁面边界层在激波入射之前为层流状态，在强激波干扰后迅速转捩为湍流状态，因此试验结果在第一道激波作用结束之前与层流计算结果吻合，而在第一道激波作用结束之后与湍流计算结果一致；激波/边界层干扰呈现复杂的三维流动特征和明显的开放结构，强激波在壁面形成的高压区呈弧状向下游展开，轨道级头部产生的入射激波在级间来回反射，强度依次递减；同时，干扰区内存在展向弯曲的主分离线与再附线、沿流向排列的二次分离线与再附线、流动剪切形成的旋涡结构以及包括鞍点、结点、焦点在内的临界点；层流边界层受到激波作用形成的分离区明显大于湍流边界层，同时开放特征更为显著。     

三维非定常流场显示与测量

给出80°三角翼和Λ机翼模型低速三维非定常流场显示和测量结果,包括大迎角和大滚转角时前缘涡跳动频率及相应模型的抖动频率测量,模型作大幅度振动时流动图象的相位平均测量,以及由平行6片光经三维重建得到空间流动图象.测量结果表明,获得了在大迎角下模型抖动是由前缘涡的非定常跳动引起的这一新的流动机理.作为一种新的测量技术和新概念,模型大幅度振动时流动图象的相位平均测量,提供了研究非定常涡特性和定量确定涡核位置的有效手段.类似核磁共振(MRI)图象处理,由平行6片光流动显示经三维重建得到空间图象,对于分析涡的破碎、绕合、再附等现象是流动显示技术的新进步.     

高超声速有攻角锥裙直接数值模拟

采用直接数值模拟方法对有攻角的高超声速7°～34°锥裙开展了数值研究,通过对比0°、90°、180°周向子午面,评估了三维横流效应对激波/边界层干扰的影响规律和作用机制,包括壁面压力、摩阻、热流分布,分离泡非定常运动,再附边界层演化等。研究发现,不同周向站位均出现流动分离,横流区、迎风区内复杂激波结构与边界层相互作用导致壁面压力、摩阻、热流显著升高。热流与压力的比值在干扰区上升后由于再附降低,而热流与摩阻的雷诺比拟关系在分离区则完全失效。分离泡面积脉动的功率谱结果表明,分离泡非定常膨胀/收缩运动呈低频特征,且分离泡呼吸与激波低频振荡在横流区密切相关,在迎风区存在迟滞,而在背风区不相关。速度脉动场的本征正交分解结果表明,分离区的低频特征与低阶模态相应的剪切层附近大尺度结构相关。对下游再附边界层演化分析指出,攻角的存在导致雷诺应力在再附点附近大幅增强,其流向分量的恢复最为迅速,雷诺应力分量的峰值位置在背风区沿流向持续外移,而在迎风区、横流区已迅速向内层恢复。此外,雷诺应力各向异性不变量分布进一步表明干扰下游的近壁区湍流各向异性峰值在背风区弱于迎风区。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片附面层特性

利用表面热膜测量上游尾迹周期性扫掠下某超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的非定常流动特性.通过热膜测得的准壁面剪切力及其统计参数云图分析了尾迹与附面层的相互作用对分离、转捩及再附过程的影响.实验结果表明:对于低雷诺数Re超高负荷产生较大分离泡的情形,尾迹扫掠对涡轮叶片附面层的发展具有显著影响,能够有效地抑制附面层的流动分离.      

Drag increment induced by a small-scale forward-facing step in Mach number 5 turbulent boundary layer flows

Small-scale roughness elements or imperfections are inevitable over the surface of a flight vehicle. The aerodynamics of these small-scale structures is difficult to predict but may play an important role in the design of a flight vehicle at high speed. The forward-facing step is a typical type of roughness element. Many experiments have been conducted to study the aerodynamics of supersonic forward-facing step, especially with a step height larger than boundary layer thickness. However, few studies focus on small steps. To improve the understanding of small-scale forward-facing step flow, we perform a series of simulations to analyze its aerodynamic influence on a Mach number 5 turbulent boundary layer. The general flow structures are analyzed and discussed. Several shock waves can be induced by the step even if the step height is much smaller than the boundary layer thickness. Two significant shocks are the separation shock and the reattachment shock. The influenced area by the step is limited. With the increase of the step height, the non-dimensional influence area decreases and gradually converges when the step height reaches the boundary layer thickness. There are two normalized distributions of the skin friction coefficient and pressure coefficient associated with step height. By using the normalized parameters, a power-law relationship between the step height and the drag increment coefficient is revealed and fits the simulation results well. It is further illustrated that this relationship still holds when changing the inlet angle of attack, but needs slight modification with the angle of attack.     

New constitutive relation for eddy viscosity models

A new turbulent constitutive relation was directly derived from Boussinesq's hypothesis and mixing length theory, and then implemented in the standard k-ε model. The performance of this constitutive relation was validated in zero pressure gradient flat-plate boundary layer flow, fully-developed turbulent channel flow and separated flow in a plane asymmetric diffuser. The investigation demonstrated that, this new constitutive relation gave very accurate results in the former two basic cases and provided significant improvement in prediction of separated and reattachment points in the plane asymmetric diffuser. Separation and reattachment points at x/H=7.5 and 29 were calculated accurately in comparison to experimental results, and the static pressure coefficient of 0.82 was very close to large eddy simulation calculation. These results are very encouraging but further verification and extensive application of the new constitutive relation to other two-equation eddy viscosity model are needed.      

涡对与物体的相互作用研究

本文从非定常形式的Ｎ－Ｓ方程出发，采用有限差分法数值模拟了入射涡对与圆柱及翼型相互作用的流场结构，旨在分析讨论其复杂的非定常流动现象，如二次涡及三次涡的形成，多涡配对，非定常分离及剪切层的演化等，以及不同的物形及涡对与物体间不同的相对位置对影响。此外，文中还通过分析物面压力分布随时间的变化来探讨非常分离的流动特性。     

后向台阶横向喷流干扰流场的数值研究

 用有限差分法求解层流全N-S方程,对超音速后向台阶绕流与台阶后横向喷流干扰流场进行了数值模拟。不带喷流的超音速后向台阶绕流数值模拟结果与实验及其他计算结果吻合较好。最后给出横向喷流压力比p_j/p_∞=3.033～7.033和喷口宽度w=0.1h～0.2h(h为台阶高度)时的数值模拟结果。得到了合理的流场结构;并可看到喷流压力比和喷口宽度对流场特性有显著影响,在计算参数范围内,底部压力与系数Q(=wp_j/hp_∞)几乎成线性关系。