“流动分离与流动控制”专栏引言

正流动分离与旋涡是流体流动的"肌腱",普遍存在于飞行器内外流动之中,影响飞行器的性能。控制流动分离与旋涡运动是高性能飞行器设计的不懈追求,三角翼与分离涡流型是空气动力学领域高效利用旋涡的卓越代表。近十余年来,主动流动控制技术由于"四两拨千斤"的前景,日益成为当前流体力学和航空航天研究的前沿和热点。2009年美国航空航天学会将主动流动控制列为21世纪十项航空航天前沿技术的第5项;我国空气动力学专家庄逢甘院士也曾指出,21世纪的空气动力学将首先在流动控制领域取     

基于改进SST模型的分离流动数值模拟

对SST湍流模型进行了改进,并通过对典型分离流动进行数值模拟,来检验和提高模型预测分离流动的能力.基于亚声速分离流动,提出了提高雷诺应力的模拟精度和分离流修正的改进方法,并进行了对比研究得出结论;在亚声速分离流动分析结论基础上,采用了可压缩性修正方法,开展了跨声速、超声速和高超声速激波/边界层干扰分离流动的数值模拟研究.结果表明:提高雷诺应力的模拟精度和采用分离流修正明显地提高了SST湍流模型对分离流动的模拟能力;适当地可压缩性修正对超声速和高超声速分离流动的计算精度有改善作用.     

基于拉格朗日拟序结构的局部激励流动分离控制有效性分析方法

从流体输运角度提出了用于局部周期激励流动分离控制有效性研究的数值分析方法。基于有限时间不变流形理论建立用于非定常流动的流体输运分析方法,并采用数值方法从非定常流场中提取得到吸引拉格朗日拟序结构（LCSs）和排斥LCSs描述流体输运行为。通过对局部周期激励的流动分离控制规律的研究,结果表明存在三种与激励频率相关的影响翼型气动特性的流体输运模式,其中在锁频激励下吸引LCSs在前缘形成的尖楔结构有效增强主流与分离区流体的物质交换,减小翼面流动分离区的面积,显著提高翼型升力。     

典型航空分离流动的雷诺应力模型数值模拟

先进飞行器设计对CFD方法的边界层分离模拟能力提出了更高要求,传统雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)涡黏性模型因建模和构造层面的理论缺陷导致其分离流动预测可信度较低。雷诺应力模型由于未对雷诺应力及其分量关系进行建模,对湍流非平衡、旋转以及雷诺应力各向异性等流动现象具有天然的理论优势。为验证与确认雷诺应力模型对典型航空分离流动的预测能力,基于SSG/LRR-g模型,以NACA4412翼型大攻角分离、M6机翼跨声速分离以及F6翼身结合区分离流动为例,探讨了雷诺应力模型对逆压梯度、激波诱导分离、二次流动分离等典型航空分离流动预测的适应性。通过与k-ω剪应力输运(SST)模型模拟结果对比发现,雷诺应力模型对分离泡大小、速度型分布、雷诺应力分布和激波位置等关键特征的模拟精度较涡黏性模型显著提升,基本验证了雷诺应力模型可在翼身接合区角区流动和三维强激波诱导分离等问题中得到正确的流动特征,而SST模型在此类流动中基本失效,显示了雷诺应力模型在典型航空分离流动中较涡黏模型的优势。同时,发现k-ω SST模型所包含的Bradshaw假设在三维激波诱导分离较强时严重影响了模型预测的准确性,是预测结果偏离试...     

叶型附面层分离流动控制技术研究进展

叶型附面层分离流动控制技术,通过流动控制方法减小和控制叶片吸力面附面层的分离气流和低能流团,提高压气机或涡轮的效率和工作稳定性。主要介绍了国外研发的涡流发生器、射流注入、附面层抽吸、叶片附面层转捩控制和等离子体气动激励等流动控制技术的特点、作用机理和实验验证结果,以及国内在叶型附面层分离流动控制技术方面的研究进展。     

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。     

高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响.结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始...     

等离子体激励抑制翼型失速分离的实验研究

进行了低速、低雷诺数条件下等离子体激励抑制NACA0015翼型失速分离的实验研究,研究了等离子体激励电压、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制效果的影响.在翼型吸力面敷设不对称电极布局的等离子体激励器.在来流速度为4.27m/s,雷诺数为4.96×104的情况下,未施加等离子体激励时,从攻角为9°起翼型吸力面发生显著的前缘流动分离;施加等离子体激励后,流动分离在攻角小于26°的情况下均能很好地重附到翼型吸力面表面.实验表明,流动分离越严重,对等离子体激励的强度要求也越高,等离子体激励的电压和电极组数也必须相应增大;给定的流动分离状态下,等离子体激励的电压和电极组数存在一个阈值;等离子体激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;雷诺数增大后,流动分离更难抑制.     

斜切对抑制引射式波瓣喷管内部流动分离的效果研究

 为了了解大扩张波瓣流动分离及其控制方法,对引射式波瓣混合器的扩张角与波瓣内部流动分离的关系进行了研究,得到了引射式波瓣混合器出现分离的临界瓣角,进而提出了对存在流动分离的波瓣喷管进行斜切处理的方法,有效地抑制了引射式大扩张角波瓣喷管主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,同时还对斜切波瓣与存在流动分离的基准波瓣喷管的引射系数和波瓣出口处的总压损失进行了研究。总的来看,对于存在主流侧流动分离的引射式大瓣角波瓣喷管而言,斜切处理一种是提高其引射效果、降低流动损失的合理方案。     

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

湍流角区三维分离空间与表面流动结构研究

针对湍流角区三维分离流动中表面油流图画(油流显示)出现的差异和不同性质,综合采用表面油流流动显示、空间PIV实验以及数值模拟探究不同表面流动结构的性质、产生差异的原因及其与空间流动结构的关系。研究表明,较强分离情况下表面油流呈现的两条油流线均为三维分离线,即一次分离线(上游)与二次分离线(下游)。油流线是空间非定常流动的时均结果,空间非定常流动以四涡结构为主。一次分离线(上游)符合Lighthill的收拢渐进线三维分离模式,二次分离线(下游)则符合Maskell的包络线三维分离模式。由于较强的第一主涡和二次涡在近壁面产生强剪切,二次分离线体现出与一次分离线不同的狭窄而清晰的油迹堆积以及低剪切应力特征,因此二次分离线又可称为低剪切应力线。在低剪切应力线两侧是由第一主涡和二次涡引起的较高剪切应力区。     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

基于分离涡模拟的起落架气动噪声研究

用基于SA湍流模式的非定常RANS、分离涡模拟(DES)和延迟分离涡模拟(DDES)分别对四轮基本起落架模型进行了数值模拟,并根据所得的非定常流场计算了表面声压级分布和声压谱。三种方法所用的时间成本大致相同,URANS略低于其它两种,而DDES由于在附着流动区更好地保持RANS特性,故时间成本略低于DES。计算显示,非定常RANS在附着流动区能够得到合理的结果,但不能准确刻画分离流动的流动形态。DES和DDES都能较好地刻画起落架绕流的定常和非定常特性,DDES的结果略好于DES。因为起落架流动属于大分离流动,所以DES也能够得到相对正确的结果。研究结果验证了分离涡模拟在起落架大分离非定常流动预测与噪声预测中的可行性,对减小起落架噪声的方法研究具有一定的意义。     

基于振荡射流技术的襟翼分离流动控制研究

<正>流动分离是空气动力学领域的一个非常普遍的现象,但往往因其非定常性,会造成相当大的能量损失。流动分离会减小飞机的升力,还会增加阻力,导致失速现象的发生,这极大地影响了飞机的正常工作。因此,加深对分离流动现象的理解,对研究控制流动分离有着重大意义。为了控制流动分离,已经提出了各种技术方案[1],例如吹吸气、合成射流、等离子体和振荡射流等。其中,振荡射流就是一种很好的流动分离控制手段。作为一个重要的研究方向,振荡射流技术以流体为工作介质,     

引射/强迫式波瓣混合器开设通气狭缝的流动分离控制

为了抑制大扩张角波瓣混合器主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,在基准波瓣混合器上开设了通气狭缝,通过数值模拟的方法研究了上述处理对次流分别为受迫流动和引射流动两种情况下的波瓣混合器抑制主流流动分离的效果.研究结果表明:①波瓣扩张角小于35°时,波瓣混合器内没有任何的流动分离的现象发生,当波瓣扩张角增大到35°时,波瓣内开始出现流动分离,继续增大波瓣扩张角,则波瓣混合器内流动分离加大;②对于次流为受迫流动的大波瓣扩张角波瓣混合器而言,开设了通气狭缝后,流动分离得到了有效的抑制;③对于次流为引射流动的波瓣混合器而言,对存在流动分离的大波瓣扩张角波瓣混合器开设了通气狭缝后,流动分离并未得到了有效的抑制,通气狭缝的存在提前诱发主流侧流体的分离.      

基于零质量射流技术的旋翼翼型流场主动控制研究

旋翼翼型经常工作在大迎角来流条件下,流动分离普遍存在。通过在具有分离流动的翼型表面施加零质量射流控制,可以实现对流动分离的抑制,达到增升减阻、推迟失速的目的。本文通过对某旋翼翼型的流动控制的计算,采用数值模拟方法研究了零质量射流主动流动控制机理,并对影响零质量射流控制效果的射流喷角、动量系数和无量纲频率三个控制参数进行了分析比较,得出了一些有意义的结论。     

宽速域RANS-LES混合方法的发展及应用

传统的雷诺平均方法(RANS)已经不能满足大范围分离、激波振荡、压力脉动、动载荷等极端工况下的流动预测需求;大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法资源耗费多、效率低,离工程湍流问题仍较为遥远。RANSLES混合方法结合了RANS高效率和LES高精度的特点,近期有望大规模应用到工程湍流问题中。首先对现有的RANS-LES混合方法进行了归类,对各自的构造思想、特点进行了分析。然后报告了脱体涡模拟(DES)类方法的发展历程和现状,讨论了使用DES类方法计算分离流动时,对流项离散格式对分离特性、小尺度结构及频谱特性等的影响,并构造了自适应耗散函数。最后介绍了近年来国内外RANS-LES混合方法在宽马赫数范围(马赫数从0.1到20)内的机理研究和工程应用。现有的以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法能够较为精细地模拟非定常大分离流动中的复杂现象,但在计算效率等方面还有较大的改进空间;植入式DES方法在模拟全机带部件流动上具有较高的效率和模拟精度,是重要的发展方向。RANS-LES混合方法在动态失速、燃烧、气动弹性、气动噪声、气动光学等与非定常流动密切相关的方面也有广阔的应用前景。     

轴流压气机非光滑表面超声速叶型流动机理研究

压气机中吸力面附面层的发展和分离流动所造成的损失是压气机内部流动的主要损失。为了延缓气流的分离,减小分离所造成的损失。本文采用在超声速叶片吸力面增加斜楔的处理技术来抑制分离流动的前传,并对不同高度,不同长度的斜楔以及斜楔在叶片的不同位置进行了数值分析。结果表明:在吸力面增加一个经过精心设计的斜楔,在低压比情况下可以提高总压恢复系数,在高压比的情况下,不但可以很好的抑制分离流动的前传,而且可以提高总压恢复系数。     

等离子体气动激励抑制机翼失速分离的实验

进行了等离子体气动激励抑制机翼失速分离的风洞实验,研究了等离子体气动激励频率、电压、占空比和激励位置等对流动控制效果的影响.研究表明:在来流速度35m/s时,等离子体气动激励可以有效地抑制机翼大攻角下吸力面的流动分离,将机翼临界失速迎角由17°提高到19°;施加激励后,机翼最大升力系数提高了9.45%,阻力系数减小20.9%;激励频率在200Hz时,控制效果最好,对应的量纲一激励频率为1;迎角越大,流动分离越严重,需要更大的激励电压才能够有效抑制流动分离;最佳激励位置在流动分离起始点的前缘;在流动控制效果相当时,减小占空比可以降低能耗.      

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.