混合流场控制的大涡模拟

采用大涡模拟方法研究了三维小扰动下,混合流场大尺度拟序结构的产生和演化过程,捕捉了展向涡的卷起、配对、合并,以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构,分析了拟序结构与入口扰动方式之间的内在联系,再现了涡卷自身撕裂而引发转捩的现象。     

空间发展混合流的大涡模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了空间发展混合流，通过在平均流中引入小扰动，研究了混合流大涡结构的产生和演化过程，捕捉了展向涡的卷起、配对、合并，以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构。与实验及直接数值模拟的结果相比，吻合程度较好，表明本文所采用的LES方法对湍流的数值模拟是切实可行的。     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

翼型低雷诺数层流分离泡数值研究

翼型在不可压和低雷诺数条件下工作时的性能越来越引起了人们的研究兴趣。本文采用Rogers发展的双时间步Roe格式,求解拟压缩性修正不可压N-S方程。数值模拟了低雷诺数条件下(Re=6.0×104,1.0×105,2.0×106),E387翼型在不同攻角条件下(α=0°、4°、7°)翼上表面后缘部分的层流分离现象,对应于长分离泡。时均化的结果同McGhee[12]的试验结果进行比较,验证了计算结果的正确性。研究了低雷诺数层流分离的非定常和时均化特性,并对漩涡脱落中主涡、二次涡以及出现的漩涡对并的周期性过程和对气动力脉动造成的影响进行了较为细致的研究。非定常计算结果表明,低雷诺数条件下的层流分离现象,是周期性的旋涡脱落过程。所谓长层流分离泡是其时均化积分的结果。     

直方管内充分发展湍流的大涡模拟 第一部分

本文用大涡模拟的方法对直方管内Ｒｅ＝４．９×１０￣４的充分发展湍流运动进行数值模拟，所得结果清楚地显示了二次流的存在。统计平均量的数值结果也与实验结果吻合甚好，这表明大涡模拟是高雷诺数复杂湍流运动数值模拟的一个有效手段。     

二维气固混合层中拟序结构对 固粒运动影响的研究＊

本文对固粒在混合层涡卷起和配对过程中的运动进行了研究。对流场用拟谱方法直接数值模拟,对固粒用颗粒－轨道模型。计算结果给出了涡卷起和涡配对过程中固粒的运动情况,说明本流场Ｂａｓｓｅｔ力对固粒运动的影响甚微;拟序结构演变过程的不同阶段造成不同的固粒分布,该结果与流场显示的实验结果相符;在相同流场条件下,Ｓｔｏｋｅｓ数是影响固粒在拟序结构流场中运动的控制参数。文中所得结论对工程应用具有指导意义。     

改进的瞬态实验方法对涡轮转子端壁换热的研究

改进瞬态实验方法,使实验件的初始温度在上下表面间形成线性分布,降低了对实验设备和操作的要求.以此方法研究涡轮转子端壁的流动和换热情况,实验结果表明,端壁表面的换热强度受来流雷诺数和端壁二次流结构的共同影响.来流雷诺数增加,端壁整体换热增强;二次流的影响,导致端壁表面存在若干局部传热强化的区域,包括前缘马蹄涡形成的区域、马蹄涡分支覆盖的区域、靠近吸力面一侧通道涡生成的区域、以及角涡产生的位置.实验测得的结果符合对端壁二次流结构的现有认识.      

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

直方管内充分发展湍流的大涡模拟 第二部分

本文第一部分用大涡模拟的方法对直方管内Ｒｅ＝４．９×１０￣４的充分发展湍流运动进行了数值模拟。所得结果证实大涡模拟是高雷诺数复杂湍流运动数值模拟的一个有效手段。在本文第二部分用所得的数据库对湍流运动的结构和形态进行了分析，并且用流体质点运动图形显示了湍流运动的二次流。     

基于变分模态分解的壁湍流拟序结构形态研究

应用多分量准二维变分模态分解技术,对直接数值模拟的湍流边界层的流向-法向平面进行了分解。通过对从低雷诺数到中等雷诺数(Reτ=400~1750)各个工况的瞬时流场的观察,定性地得到了不同模态所对应的物理结构特征。通过两点相关云图形态和倾斜角度的比较,定量地对比了不同模态对应的拟序结构倾角随法向高度的变化。一阶模态主要对应大尺度扫掠/喷射事件,第二阶模态则对应近壁流向涡结构。两阶模态的拟序结构倾角随法向高度的变化趋势与雷诺数呈弱相关,表明大小尺度模态的几何特征在所研究的雷诺数范围内存在自相似性。     

分离双箱高低雷诺数涡振的试验研究

为了给现代大跨度桥梁抗风设计提供准确的依据,有对其涡振性能和减振措施的有效性进行分析.在同济大学TJ-1和TJ-3进行的分离双箱高低雷诺数涡振试验,通过四十多个工况试验的详细比较,发现在低雷诺数条件下,涡振存在于较大的阻尼比区间范围内,振幅较大且相应的锁定风速区间较宽;而在高雷诺条件下,涡振仅在阻尼比较小时存在,且其振幅也较小.而导流板的减振效果在高低雷诺数试验中表现出差别,且与攻角有关.     

周期性变形圆柱绕流特征的数值分析

应用有限体积法求解不可压缩二维N-S方程，对在均匀来流中圆柱-椭圆柱周期性变形运动进行了数值模拟。对于两种典型状态，即雷诺数为40和100，本文描述了圆柱变形运动所引发的非定常流动随时间变化的过程，揭示了变形过程中柱体附近流场的变化主要取决于由壁面压力梯度和壁面的切向运动加速度所产生的壁面涡量流，分析了不同变形频率和不同变形量对升力和阻力、旋涡形成及其运动的影响，并发现了频率锁定现象。     

气流速度振荡场中幂律液膜不稳定性分析

采用线性稳定性分析研究了处于气流速度振荡场中幂律液膜时间模式的不稳定性。振荡的气流速度导致动量方程为含有时间周期系数的希尔方程，采用Floquet理论进行求解。详细研究了不同振荡幅值和振荡频率下表观雷诺数、幂律指数及无量纲速度因子对各不稳定区间的影响。结果表明：振荡幅值的增加或振荡频率的减小会使液膜不稳定区域的个数增加，且Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定区域的最大增长率、主导波数和截止波数随振荡幅值和振荡频率的增加而增加；表观雷诺数、幂律指数和无量纲速度因子的增加增强了K-H不稳定区域内的不稳定性，使参数不稳定区域内的增长率先减小后增加；振荡幅值的变化不改变最大增长率发生转折时对应的流变参数，而当振荡频率较小时，幂律指数和无量纲速度因子的增加却使最大增长率单调增加。     

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

外缘预旋进气的旋转空腔主盘局部换热及流阻特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘预旋进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Ｒｅω）、冷气雷诺数（Ｒｅｚ）、哥拉晓夫数（Ｇｒ＊）对主盘局部换热及流阻特性的影响。实验发现,冷气雷诺数、旋转雷诺数的增大,使主盘局部换热系数在盘缘附近迅速增大,而在接近盘心时出现负值;阻力系数随旋转雷诺数的增大而减小,随冷气雷诺数的增大而增大。     

边界层特性对雷诺数变化的敏感性分析

通过对有压力梯度下的边界层进行研究，模拟低压涡轮叶片表面边界层的发展过程，并分析了叶片表面不同负荷分布形式情况下吸力面边界层特性对雷诺数的敏感程度。计算中，分别采用了三种典型的涡轮气动负荷分布形式：后加载、前加载、均匀加载等，并分别模拟了三种不同的雷诺数下的边界层发展情况。结果表明：在同一雷诺数情况下，不同负荷分布形式吸力面边界层发展呈现出明显差异；而不同负荷分布形式下叶片表面边界层特性对雷诺数的敏感程度也不一样，相对而言，均匀加载形式对雷诺数的敏感程度最小，更适应低雷诺数条件下工作。     

外缘轴向进气的旋转空腔主盘局部换热及流阻特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘轴向进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数(Re_ω)、冷气雷诺数Re_z)、哥拉晓夫数(Gr*)对主盘局部换热及流阻特性的影响。实验发现,冷气雷诺数、哥拉晓夫数的增大,使主盘局部换热系数在盘缘附近迅速增大,而在接近盘心时出现负值。阻力系数随旋转雷诺数的增大而减小,随冷气雷诺数的增大而增大。      

雷诺数对涡轮部件性能的影响

利用数值模拟手段研究了雷诺数对低压涡轮部件性能的影响,分析了低压涡轮内部流动的变化。结果表明低压涡轮效率随雷诺数降低而下降,且其变化趋势为非线性变化;叶片表面速度分布亦发生较明显的变化,导致叶型损失与二次流损失增大;结果还表明叶片表面速度分布的设计对涡轮性能随雷诺数变化的规律具有重大影响,在低雷诺数条件下涡轮部件的设计中需加以注意。      

“仿生学”沟槽减阻仿真分析及机理研究

"仿生学"沟槽结构在航空发动机叶片减阻和燃滑油系统减阻等领域有潜在的应用前景。为获得该结构构型参数和雷诺数对减阻效果的影响规律,通过对鲨鱼及海豚表皮特征进行仿生设计了横向和纵向沟槽,利用数值模拟方法对不同沟槽构型在不同雷诺数下的减阻效果开展了对比研究和机理分析。结果表明:横向和纵向沟槽构型减阻率均随雷诺数增大而减小,并且雷诺数影响占主导地位。对于横向沟槽构型,沟槽间距较大的构型沿程阻力占主导,在相对高雷诺数下减阻效果较好;沟槽数量较多的构型局部阻力占主导,在相对低雷诺数下减阻效果较好;无间距构型在相对低雷诺数下减阻效果最好,减阻率约为4.14%。对于纵向沟槽构型,减阻率比横向沟槽的高约1个百分点,雷诺数对减阻效果影响不大。