三维定常粘性流动中分离线的性状——建筑在边界层方程上的分析

本文在边界层方程的基础上,研究了分离线附近流动的性状,证明在分离线上存在Goldstein奇性,且分离线是壁面极限流线的包络。     

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。     

钝锥有攻角分离流动的数值模拟及其分析

本文定性分析了开式分离的性状,并对钝锥有攻角超声速绕流的开式分离作了数值模拟。分析指出,开式分离可能存在两种形态,第一种分离线的起点为正常点,第二种分离线的起始为鞍、结点(包括螺旋点)的组合。对于第一种形态,分离线的起点是横向分离的起始点,除分离线外,分离面上的流线不是从分离线的起点发出的。对文中计算的情况,流动属第一种开式分离。计算证实了定性分析的结论。计算和分析均指出,对第一种开式分离,在分离的起始区域,分离流面尚未卷曲,但在下游,则变成卷曲面。文中还研究了围绕物体的流管在分离诱导下的变形情况。     

带座舱飞船高超声速粘性绕流的分离形态及流场结构分析

通过求解薄层近似的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，数值模拟了带座舱飞船高超声速粘性绕流，首次系统地给出了攻角为５°、１０°、２０°、３０°和４０°情况下的物面分离形态、横戴面流线形态、纵剖面流线形态以及旋涡沿涡轴的演变形态。分析和比较表明，本文采用数值可视化方法给出的流场拓扑结构与相应的拓扑规律完全吻合。在飞船后体流场横截面流线中，本文发现了稳定的极限环流态，该极限环涡心处沿涡轴方向的速度是超声速     

采用附面层抽吸(BLS)控制流动分离的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了附面层抽吸(BLS)对两种具有不同分离特征的叶栅流场的气动影响。通过比较抽吸前后极限流线谱和叶栅损失的变化,对抽吸前后的流场进行定性分析。结果表明,采用附面层抽吸技术可以明显改善大转角、大分离叶栅的气动性能。其中,对以闭式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置为主分离区的起始位置,即鞍点附近;对以开式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置位于主分离区的上游。     

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。     

不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

低雷诺数下空气黏性效应突出,翼型表面普遍存在层流分离现象,相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术,对FX63-137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线,两种结果定性定量均吻合较好,证明了本文的研究方法有效可靠;雷诺数从500 000降至20 000,翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化,伴随阻力系数剧增和升力系数剧降,时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡,并最终演化为后缘层流分离泡,相应的两种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异;对于阻力系数和升力系数而言,存在不同的临界雷诺数,因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增,而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小;非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落,才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时,流线在后缘附近再附,升力系数达到峰值;而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时,尾部流线大尺度分离,升力系数降至谷值。     

应用PIV研究角区三维分离的附着奇点结构

利用PIV测试技术从定量的角度实验证实了角区干扰马蹄涡在一定条件下存在着有别于传统"分离奇点"的"附着奇点结构",即对称面最上游的流线并非是从壁面向上抬起而从壁面"分离",而是经由空间的一个奇点向壁面"附着",从而表明表面油流显示中的渐进收拢线可能是附着线而非分离线,因而油流渐进收拢线只是分离的必要条件而非充分条件.PIV实验结果还表明角区干扰马蹄涡存在着三种可能的附着奇点结构,三种附着奇点结构都满足奇点指数拓扑法则.     

细长体分离起始点的实验研究

本文实验研究了细长体模型在中等迎角下的初始分离问题。观察了不同头部形状的细长体在不同迎角下的分离流态。考察并分析了分离起始点的性质。观察到开式分离的存在,实验结果分析认为开式分离可以起始于正常点。此外,在钝头和尖头模型上都出现了螺旋点形式的头部涡。它们或是闭式分离的起始点,或是奇点型开式分离的起始点。     

一种利用分离区自身能量控制分离的方法

本文用实验方法探讨了非定常扰动对前台阶湍流分离的影响。研究表明采用钢丝为非定常扰源,则不用外加机械能就可达到控制分离的目的。该方法可行的关键在于将钢丝置于分离点后的一个邻域内,在该邻域所特有的自然非稳定涡结构的作用下,钢丝会产生共振,这种共振效应使下泻涡得以强化并形成大尺度的凝聚结构,进而给分离包的低能区补充了能量,使分离包大大缩短。     

涡流发生器控制亚音速扩压器中分离流

 本文对涡流发生器在二元亚音扩压器分离流控制中的应用作了进一步的试验研究。通过精心地选择涡流发生器的结构参数,排列型式和安装位置、有效地控制了处于大瞬变失速流动状态的二元亚音扩压器内的流动分离,从而大大改善了扩压器的稳、动态性能。     

粘流与无粘流的相互作用计算

本文总结了粘流/无粘流的各种计算方法和结果。重点在于介绍定常流动中的弱相互作用。首先叙述了弱相互作用的数学模型。给出了不可压流动和跨音速流动中粘流/无粘流相互作用的某些正耦合的计算结果。讨论了在分离区附近边界层正方法失效的原因。然后介绍了边界层反方法和适用于带分离的流动中半反方法耦合的粘流/无粘流的相互作用方法。文中也简单地总结了三维情况的应用和强相互作用。     

航天飞机系统两体分离问题的探讨

本文简要地叙述了美国研究轨道器与外挂贮油箱,轨道器与载机分离问题的概况。对垂直起飞两级入轨的并联两机的分离问题,提出了研究模型并作了具体分析,着重提出了实现两机安全分离需要解决的技术难点。 二级航天飞机的两机分离问题,是未来航天高技术领域的关键技术之一,本文阐述了解决两体并联分离问题我国现有的技术水平,并提出了解决该问题的技术方案。     

曲面上非定常射流分离对外流变化的响应

 曲面上射流和外流的相互作用是一个十分有趣的流动现象。控制环量翼型是这种流动应用的一个实例。近年来由于控制环量翼型在新型直升机上的有效应用,人们对曲面上射流和外流的相互作用作了许多研究。在此基础上发展了这种翼型的气动力计算方法。但至今这些工作只限于定常流动。翼面上引出射流这一概念在实际应用中往往涉及非定常流动。例如应用于直升机旋翼时,翼型主要工作于非定常流中。     

二维非定常分离准则探讨

利用奇点理论和连续方程证明,当坐标系与非定常分离点固结时,分离点应该是鞍型奇点。由此自然地导出了非定常分离准则。进而还讨论了在非定常流场中如何确定分离点的几种方法     

平片激振对锐缘分离流场宏观作用的实验研究

本文对激振与未激振锐缘分离流场细节进行了比较。结果表明 ,作用于分离点的适当频率的激振对分离流场产生了 6种互相耦合的作用效应 ,它们是 :( 1)从整体上减弱或抑制分离流动 ;( 2 )改变分离区湍流结构 ,加剧湍流运动 ,加快混合和剪切层增长 ;( 3)增强局部区域的回流流动现象 ;( 4 )使分离剪切层再附 ,改变分离流态和分离涡分布 ;( 5)减弱下游流场湍流脉动 ;( 6)增强尾流下弯程度。本文工作为激振控制分离流动技术的工程应用提供了物理基础与指导。