基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

后向台阶层流分离剪切层特性研究

应用激光测速仪对生向台阶层流边界层分离产生的剪切层在再附前的发展进行了测量，得到了时均速度、湍流强度及剪切层厚度等的分布特性，并研究了来流湍流度对台阶后流场湍强度分布及剪切层发展的影响，实验中发现台阶后有一个流速降低的区域，对此从涡动力学的角度作了解释。     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.      

轴对称钝体前缘分离剪切层的非线性行为

实验研究了锐前缘轴对称钝体前缘分离剪切层发展演化的动力学过程,以及分离剪切层与外加声激励之间的非线性作用.研究结果表明,自然状态下,存在着亚谐频现象,分离剪切层的演化发展是通过涡合并方式实现的.从分离到再附,层流分离剪切层一般经过2次涡合并过程,湍流分离剪切层一般经过5次涡合并过程.混沌动力学分析表明,层流分离剪切层是经过Hopf分岔和周期倍分岔途径进入混沌状态的.此外,讨论了分离剪切层对外加声激励的响应.     

基于非湍流脉动动能方程的高超声速转捩预测

通过求解基于稳定性理论的非湍流脉动动能输运方程,预测了来流Ma为5.91的裙锥绕流流动的层流-湍流转捩点,并采用SST(Shear-Stress Transport)湍流模型结合代数间歇因子模型对转捩流场进行了数值模拟.结果表明非湍流脉动动能输运方程模型可以很好地捕捉逆压梯度对转捩前期边界层内的不稳定波动频率的影响.等温壁面条件下计算得到的转捩位置与静风洞实验结果基本一致.壁面冷却促进第2模态不稳定波动的增长,使转捩提前发生.代数间歇因子模型模拟高马赫数流动的转捩区长度较短,温度峰值偏低.     

锯齿型扰流片对壁面压力分布的影响

在风洞用电子扫描阀进行测压,研究了绕平板扰流片和锯齿扰流片分离流动的壁面压力分布.结果表明平板扰流片和锯齿扰流片均在上游x/h=-6处剪切层开始分离,并再附于下游x/h≈20的位置.锯齿扰流片横向位置的变化对壁面平均压力分布几乎没有影响,但通过锯齿槽流向的压力脉动一般大于通过锯齿尖点流向的脉动.从平均压力分布看,锯齿高度可以增加扰流片阻流效果,采用锯齿扰流片可以减小下游壁面压力的脉动.     

边界层转捩过程三维扰动的发展和演化

引入展向调制的二维人工扰动激发平板边界层转捩,利用水槽氢气泡流动显示技术观察到转捩边界层中典型三维扰动的产生和发展,包括Λ结构、发卡涡以及发卡涡演化生成环状涡的过程.实验结果显示出环状涡和尖峰结构的关系,直接证实了尖峰结构的产生机理.在流动紊乱化初始阶段发现常出现在湍流边界层中的暗斑结构,结果表明与暗斑相伴随的局部高剪切层不稳定可能是流动紊乱化的重要原因.     

三维斜掠后台阶流动数值模拟

介绍了开源计算流体力学软件OpenFOAM(Open Field Operation and Manip-ulation)及面向对象编程技术,并利用其对三维斜掠后台阶流动进行了数值模拟.通过对无斜掠角度情况下用OpenFOAM计算得到的流场速度型和展向涡强度场分布与实验数据的对比研究,证明其具有良好的计算精度和可靠性.通过对不同斜掠角度台阶下游流线与压力分布的详细研究发现随着斜掠角度从0°增加到60,°回流区涡团结构和再附距离均发生了显著变化.其总体趋势是再附距离在30°后会急剧缩小,旋涡强度也会减弱.     

带喷流的超声速光学头罩流动显示

在马赫数3.8的超声速风洞中,以高时空分辨率的基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS,Nano-tracer based Planar Laser Scattering)技术为实验手段,研究了有无喷流的超声速光学头罩流场的精细结构,清晰地再现了流场中的激波、膨胀波、剪切层和湍流边界层等复杂结构.通过分析时间相关的流场NPLS图像,可以发现流场结构随时间的演化特性.结果表明:无喷流情况下光学窗口上方的大部分流场处于层流状态;有喷流情况下剪切层的层流区域较短,在很短的距离内转捩至湍流状态;喷流出口压力高于外界压力情况下剪切层的转捩位置比压力匹配情况下较为靠前,光学窗口上方的涡结构也较为复杂.比较而言,后者对气动光学性能的影响更大.     

后向台阶层流边界层分离实验研究

本文应用偏振差动式激光测速仪对后向台阶层流边界层分离、再附及发展为湍流边界层的整个过程进行了精细的量测,得到了时均速度、湍流强度等的分布特性。我们发现,在本实验条件下,层流边界层分离后在再附点处为过渡流,进一步发展最后形成湍流边界层。在湍流边界层区域,流速分布遵循对数律,但积分常数比平板湍流边界层中所得值要大。     

本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理

采用速度匹配法结合壁面淬熄分析甲烷本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理,得到了贫油与富油状态下火焰稳定点不同的移动规律,定量预测了火焰吹熄特性关系,并通过实验验证.火焰稳定点在本生灯出口附近的边界层中,该处的火焰传播速度与预混气来流速度相平衡;而在边界层中,以火焰稳定点为起点,存在一个可点火区域.随着来流预混气流速的增大或者当量比远离恰当比,这一可点火区域逐渐缩小,直至成为一个点,此时即为熄火的临界状态.通过比较近壁面的当地气流速度与火焰传播速度,并采用非耦合的方法分析壁面淬熄的影响,得到了火焰稳定点的移动规律.在径向上,火焰稳定点随来流速度增大向射流中心线方向移动;在轴向上,随流速增大,贫油工况下稳定点向下游移动,富油工况时则向上游移动.根据火焰稳定点移动规律结合可点火区域分析定量预测了吹熄特性,通过了实验验证,证明了火焰的熄火机理.     

用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰

采用GAO-YONG可压缩湍流方程组,模拟了平板激波/湍流边界层干扰现象.运用SIMPLE算法求解方程组,并分别采用三阶精度的QUICK格式和中心格式离散对流项和扩散项.计算结果较好预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征: 分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波.对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够高精度模拟平板激波/湍流边界层干扰流动.      

The structure of Kelvin–Helmholtz vortices with super-sonic flow

We have done two-dimensional simulations of the Kelvin–Helmholtz instability (KHI) with super-sonic flow using the CIP method. The linear analyses of a simple uniform density case show that the KHI cannot grow vigorously when the velocity jump is more than twice the sound speed (when the flow speed relative to the vortex is super-sonic). In this study, by situating a high density contrast across the shear layer, we set the flow in only one of the sides to be super-sonic and then show that the KHI does grow and rolls up a vortex. The formation of a shock is essential for the KHI vigorous growth and the structure of the vortex is strongly influenced by the shock geometry. The results should have substantial implications to velocity shear layer dynamics involving large density jump, such as planetary magnetospheric boundary layers.     

关于行星际磁场螺旋扇形过渡区稳定性的分析

本文利用四层模式,讨论了ME型行星际磁场螺旋扇形过渡区的稳定性。结果表明:(1)ME型过渡区中可以激发三种大尺度波动,且三种波动都存在低频截止;(2)随着波数k增大,不稳定性的增长率都有上升的趋势,但其中A型波动的增长率存在一个极大值和一个极小值;(3)当k与扇形区中太阳风速度V_q呈平行或反平行时,波动最易被激发;随着k与V_q之间夹角变大,截止波长逐渐向短波段移动;当k与V_q相垂直时,波动则不能被激发;(4)当k与V_q夹角呈75°时,可以激发波长为5×104km、相速为340 km/s的波动,这与Voyager 1飞船在磁层顶处的观测结果相一致。由此推断,螺旋扇形过渡区中激发的波动可能是导致磁层顶K-H不稳定性的一种扰动源。