沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究

壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关,研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律,有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中（Re_τ=190）,采用高时间分辨率粒子图像测速技术,测量光滑平板和沟槽板（s+=2h+=16.3）湍流边界层,分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λ_ci识别展向涡,比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小,逆向涡的数量增大,并削弱了展向涡的强度;沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加,中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小,使得近壁区顺向涡的尺度差异变小,对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响;沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例,并增大了大尺度顺向涡的数量比例,对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。     

用于BVI噪声试验的新型涡发生器设计与分析

针对直升机特有的旋翼桨/涡干扰(Blade vortex interaction,BVI)噪声计算精度低且试验数据缺乏问题,也为了开展旋翼气动噪声特性分离方法的验证试验研究,本文设计了一种能够用于BVI噪声试验的新型多段翼型组合式涡发生器。首先通过CATIA软件建立涡发生器出口端翼型段在不同迎角下的试验模型,再使用FLUENT软件建立涡发生器的流场仿真计算模型,比较分析了不同翼型段迎角下的涡流流场。随后用粒子图像测速法(Particle image velocimetry,PIV)技术系统测量了不同翼型段迎角、距离涡发生器出口端的长度及流速等参数变化下的涡流流场,对不同试验状态下的涡核、涡强等参数进行了对比分析。针对涡量偏弱的缺点,对传统单级涡发生器进行了改进,设计研发了双级涡发生段。试验证明其能产生更强且稳定的涡,为BVI噪声试验提供了模拟的桨尖涡,试验结果表明了涡发生器的有效性。     

后掠翼身交接区流动结构及参数影响研究

在水槽中利用激光片光源及荧光素钠染色液显示方法 ,研究了圆柱、机翼与平板交接区及后掠圆柱、后掠机翼变迎角情况下的干扰流场结构、特性及参数影响规律。结果表明 ,除Re数之外模型迎角、后掠角等参数对干扰区马蹄涡特性有很大影响。研究发现后掠圆柱及后掠机翼在一定条件下存在一类既不同于马蹄涡也不同于卡门涡的空间稳定发展的三维旋涡系即背涡。讨论了干扰背涡产生的机制及其与马蹄涡的相互关系。     

汽轮机低压排气缸内流场的PIV实验研究

使用时间分辨粒子图像测速仪(TR-PIV)对汽轮机低压排气缸模型内流场进行了研究.通过对某些特征平面的测量,获得了其平均流场的速度矢量与涡量,发现其内部流动从上部至出口呈现多个涡合并为一个通道涡的过程,通道涡主导了蜗壳通道内的流动,其涡量沿主流方向逐渐降低.实验还发现,在排气缸下部加装的隔板能有效阻止非主流方向上的流动,这将有利于有效通流面积的增加和降低流动损失.     

低雷诺数下翼尖涡统计特性实验研究

翼尖涡的统计特性主要包括涡核半径、平均涡量、旋涡切向速度等,其准确测量是翼尖涡控制技术得以有效实施的重要前提。采用二维粒子图像测速技术在水洞中对椭圆机翼生成的翼尖涡尾流场进行了实验观测,测量区域覆盖翼尖涡发展的近场、中远场。针对涡对不稳定运动导致旋涡统计参数失真的情况,采用涡核中心对齐平均（re-centered average）的方法,屏蔽掉涡对不稳定运动对旋涡统计参数的影响,提高了统计结果的准确度。Re-centered average统计结果表明:涡核半径和涡量峰值随流向站位分别呈现出近似符合幂函数的增长和衰减规律;旋涡不稳定运动的振幅随机翼迎角增大而减小,表明涡对抵抗扰动的能力随涡强度的增大而增强。     

截断肋排布方式对内冷通道换热性能的影响

在给定通道雷诺数的条件下,实验研究了矩形内冷通道中截断肋片在6种不同排布方式下的换热特性,并结合三维数值模拟方法,基于流动特征深入分析了其中的对流换热机理。研究表明:6种不同排布方式下,结构2-3-5-9通道的换热性能最好,结构2-5-3-9通道的换热性能最差;结构2-3-5-9通道的压力损失最大,结构2-5-9-3通道的压力损失最小。就总体热性能而言,结构2-9-5-3的最好,结构2-3-5-9的次之,结构2-5-3-9的最差。对流动特征的分析可知,肋片截断区域诱导的横向涡增强主流与边界层流体的掺混,强化了受热壁面与流体间的换热;截断肋片的不同方式排布使通道中流动特征不尽相同,但截断区域的涡结构基本相似。     

应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

边界层局部粗糙壁面对大涡结构的非线性作用

在构建大涡结构理论模型的基础上,设计了局部喷入和吸出的结构来模拟局部粗糙壁面。采用直接数值模拟的方法,研究了在边界层流中局部粗糙壁面对大涡结构非线性作用的问题。数值结果表明,局部粗糙的性质、分布形式以及强度等因素均对边界层流动中大涡结构的非线性演化起到重要的作用。     

不同相位壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟的方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中不同初始相位壁面局部微振动诱导大涡结构的过程。计算结果表明:壁面扰动初始相位为0或π,大涡结构的初始扰动速度场完全相反,初始相位为0时,大涡结构演化时无论其扰动速度幅值、高低速条纹结构,流向涡量均随时间的增加而增长,壁面平均切应力明显大于平板边界层流动,近壁平均速度剖面变得饱满;初始相位为π时,诱导形成的大涡结构较弱。壁面局部微振动可诱导边界层内形成大涡结构,大涡结构演化特性与局部微振动初始相位密切相关。     

马蹄涡结构的显示

对层流角区流动的动态流动模式进行了流动可视化实验研究.实验采用了脉冲氢泡发生器和录像系统对流场进行了显示和研究.通过实验发现,氢泡丝的布置是清晰显示角区流动的精细结构的重要因素.实验雷诺数范围为Reδ*=2.74×102～3.19×102.该实验的角区流动由在平板表面的长方形突起物产生.实验结果显示了主马蹄涡和反向二次涡的流动结构和流动过程.实验还发现了一系列新的流动现象,如马蹄涡的头部形成区域的流动过程及其在柱体上游形成"肩膀"的现象等.     

应用PIV技术研究"零质量"射流的非定常流场特性

首次采用PIV瞬态流场测试技术对“零质量”射流激振器近出口处附近的非定常流场进行了定量测量，应用相位锁定采样技术，测到了激励周期内不同相位时射流出口的瞬态流场，由200幅瞬态流场图像的平均得到了射流流场的平均流动特性。通过对射流出口涡环的产生、发展及运动特性的分析，认识到涡环之间相互作用是形成“零质量”射流的流动机理。     

微型飞行器低雷诺数流场显示试验研究

在南航非定常风洞内,对一盘状微型飞行器的气动特性进行了测力和流场显示实验,给出了不同迎角下微型飞行器的空间流场显示结果.研究表明:随着迎角的增加,在机翼上表面开始形成前缘分离涡,并且前缘涡的尺度和强度不断增加.迎角继续增大,前缘涡首先在后缘开始破裂,并不断前移,最终导致微型飞行器的失速.模型上前缘分离涡的形成、发展和破裂是导致盘状微型飞行器气动力特性产生变化的根本原因.     

低速风洞阵风发生器实验研究与分析

阵风发生器是阵风响应风洞试验的关键设备。针对叶片式阵风发生器的运行特点,通过简化的定常涡升理论,推导出阵风发生器下游流场Y向风速的计算公式。以0.55 m×0.4 m低速风洞（声学引导风洞）为实验平台,系统地研究了阵风发生器的设计参数（叶片弦长、数目、间距）和运行参数（叶片摆幅和摆动频率、来流速度）对阵风流场风速极值的影响。研究表明:推导的简化公式能够解释阵风发生器各设计和运行参数变化后,其下游流场Y向风速的变化机制,可在阵风发生器设计时对其产生的阵风流场进行简单预估;从增大阵风发生器下游流场Y向速度极值的角度出发,增加叶片数目比增大叶片弦长更能增大Y向速度;在叶片失速前,增大叶片摆幅比增大叶片摆动频率更能增大Y向速度;采用多组叶片的阵风发生器,叶片间距不能太小,否则会导致等效升力系数下降,当叶片间距为1.2倍弦长时,能够获得最大的Y向速度极值。本文研究工作可为其他风洞的阵风发生器设计提供参考。     

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨.结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区.     

圆柱体尾流结构的控制

本文根据水洞观察的结果,分析了圆柱体尾流中,卡门涡街形成的原因是由于流动的不稳定性所产生。根据这一原则,找到了两种控制尾流结构的方法。当雷诺数小于大约200的情况下,在圆柱体“死水区”一侧的边沿,放置一个直径很小的控制圆柱体,可以抑制卡门涡街的产生。另一种方法是在尾流的平均轴线上,放置一个宽度与圆柱体直径相等的平板,同样能够抑制涡街的产生。风洞试验的结果表明,即使在高雷诺数下(亚临界范围内),由于尾流中放置了平板,使得非定常旋涡受到抑制,从而显著地改变了圆柱体上的气动力。     

跨声速翼型风洞开孔壁的简化模型数值模拟

以开孔壁翼型风洞为研究对象,构建简化的仿真模型,模拟开风洞孔壁附近及小孔内的流动,研究开孔壁对风洞试验的影响。研究了开孔壁流动的主要特征参数并建立多孔板模型,为进一步建立数值风洞模型及研究洞壁干扰提供参考。通过简化的孔壁模型,研究了开闭比等特征参数对风洞流场和翼型绕流的影响。构建了二维简化孔壁模型和多孔介质孔壁模型,并验证了以多孔板模型模拟孔壁风洞流场的可行性。本文建立了一种研究跨声速孔壁风洞的孔壁效应的数值方法,为跨声速孔壁风洞流场的模拟研究提供参考,为进一步构建可靠的风洞孔壁数值模拟数学模型提供一种研究思路。     

二维机翼非定常运动的涡流场显示--沉浮运动

介绍了在水洞中进行的二维机翼沉浮运动的流动显示实验.实验结果揭示了机翼正弦运动时尾迹涡街的特性以及与Strouhal数的关系;发现了在不同参数下存在三种前缘涡的形式;结合数值计算结果说明了二维机翼沉浮运动中产生非定常推力的机理.     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.