三维扰动波在局部粗糙边界层中的稳定性研究

采用局部喷、吸、喷和吸组合来模拟局部粗糙壁面,数值计算获得稳定的三维边界层的基本流.在此基础上研究了三维扰动波在该基本流中的空间演化问题,讨论了局部粗糙的形式、分布结构对三维扰动波的幅值增长率及流动稳定性影响.计算结果表明:三维局部粗糙对三维扰动波的增长、涡的形成都起着激励的作用.扰动波演化产生的平均流修正及局部粗糙诱导展向速度的存在,影响着流体运动稳定性.与光滑壁面相比,三维局部粗糙作用下扰动波的传播角度与相位角发生明显变化,而不同形式的二维局部粗糙壁面边界层显示出不同的稳定特性.     

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。     

机翼非平行边界层稳定性研究

从Navier-Stocks(N-S)方程导出曲线坐标系下的抛物化稳定性方程(Parabolicstabilityequation,PSE),研究机翼非平行的可压缩边界层稳定性问题。发展了求解PSE的高效数值方法:引进法向变换,使得在临界层与壁面之间的扰动量变化最快的区域有更多法向网格点;采用包含边界邻域在内的完全四阶精度的法向差分格式,这对方程精确离散至关重要;以及全局法和局部法相结合的数值方法及其新的迭代公式,能大大加速收敛并得到更精确的特征值。算例分析研究了扰动增长因子和形状函数等演化曲线。     

边界层壁面振动诱导T-S波的直接数值模拟

采用空间模式的平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟方法求解二维不可压扰动方程．研究了边界层对二维壁面局部持续微振动的感受性。计算结果表明,当地扰动速度随时间变化显示弦振动特性,振动周期与壁面加载周期完全一致;扰动速度在空间上具有波动解的特性,流向波数与O一S方程解接近;数值计算获得的扰动幅值增长率稍大于预测值,二者运行趋势基本吻合,且对所计算的雷诺数条件,周期为30的扰动幅值逐渐增长,而周期为20的扰动帽值先增加后衰减;周期为30的扰动的二次谐波明显大于周期为20的扰动;流向扰动速度及法向扰动速度的剖面模值函数在壁面局部振动下游附近与O-S方程解不完全重合,而在壁面局部振动下游较远处则与其重合良好;边界层壁面局部微振动获得的二维扰动解具有T—S波的形式。     

边界层稳定性的非平行性问题研究

采用抛物化稳定性方程的新方法研究稳定性的非平行问题，其控制方程从涡量形式的N－S方程导出，为提高计算精度和收敛速度，在法向采用高精度的高阶谱方法，结合边界层特征安排边界条件的方程，以及对无限区域数值问题作高效的代数变换处理，通过对预估校正迭代过程中推进步长有效的控制，以满足正规化条件，研究了不同类型压力梯度对稳定性的作用，由系列算例得到的增长率变化曲线和扰动中性曲线等，精确地给出了非平行性对流动稳定性的影响，计算的结果与相关数据符合甚好。     

高超声速风洞来流扰动测量及数据后处理技术研究

来流扰动对高超声速风洞中开展的实验研究，如层/湍流边界层的不稳定性与转捩实验，有直接影响。为加深对高超声速风洞中边界层转捩实验的认识，需对高超声速风洞的来流扰动进行定性与定量的测量与分析。提出一种高超声速风洞扰动模态校测方法，使用热线风速仪和皮托管压力探头对高超声速风洞自由来流进行测量。在小扰动假设前提下通过模态离解分析，并结合直接数值模拟结果，获得风洞自由来流各扰动模态的幅值。运用德国不伦瑞克工业大学马赫数6 Ludwieg式高超声速风洞对该方法进行检验。实验结果显示:该风洞为典型噪声风洞，其来流扰动中声波模态高达扰动总模态的69%，涡波模态和熵波模态约各占15%。该扰动模态校测方法为高超声速风洞的流场扰动测量提供了一个思路，为基于高超声速风洞开展的实验提供了借鉴和参考。     

局部粗糙边界层流中二维T-S波的非线性演化

采用局部喷、吸、喷与吸组合的结构来模拟局部粗糙壁面,通过数值计算获得了稳定的三维边界层基本流的数值解.在此基础上,研究了最不稳定的和稳定的二维扰动T-S波在时、空间演化过程中非线性问题;探讨了局部粗糙的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化的影响及其对增长速率贡献的大小.数值结果表明,三维局部粗糙壁面诱导产生的基本流是扰动波得以增长的关键因素;最不稳定的二维扰动T-S波在非线性演化过程中,由于非线性相互作用的不断增强,逐渐诱导激发出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率大致相同.此外,展向速度的大小激励着二维扰动波的快速增长,随后发生初次失稳、流向涡形成、正负相间剪切层逐渐增强、诱导产生三维不稳定扰动波及高阶失稳等机制.上述结论与实验结果相吻合.     

高速流非平行边界层稳定性研究

导出了可压缩流的抛物化稳定性方程（PSE）。针对高速流动,特别是超声速和高超声速流动的非平行边界层稳定性问题进行了研究。引入高效的边界层变换、全流场高精度的差分格式及预估校正迭代和推进求解法来求解PSE方程,使得PSE方法中至关重要的正规化条件得到了满足,确保了数值计算的稳定。采用高马赫数下对稳定性起支配作用的第二模式,研究了高速流边界层稳定性的演变和特征,分析了流动的非平行性、压缩性,以及壁面冷却等因素对流动稳定性的影响．所得结果与相关实验数据吻合较好。     

带压力梯度的非平行流边界层稳定性研究

发展高精度的高阶谱方法,通过抛物化稳定性方程及其局部法,研究在压力梯度作用下的非平行流边界层稳定性问题。与经典的平行流边界层稳定性结果相比,显示了在某些条件下非平行性对稳定性的关键作用。提出了压力梯度对临界雷诺数的影响研究,探讨了不同压力场对流动稳定性作用的规律性。     

高超声速边界层感受性研究综述

高超声速边界层感受性是边界层转捩预测与控制的关键环节，其对高超声速飞行器研究至关重要。目前关于高超声速边界层感受性的实验研究仍然十分匮乏，为了更好地理解高超声速边界层感受性过程并指导该领域的实验研究，文章梳理了近20年来国际上高超声速边界层感受性问题的研究内容，包括对自由流扰动和壁面扰动的感受性，并主要介绍了Fedorov的前缘感受性理论和模态转化机制。最后总结了自由流扰动中感受性的不同发展路径。     

多孔介质传热传湿过程多层不连续问题的数值分析

提出了一种基于有限体积法预测非线性边界条件下多层多孔介质内的传热传湿过程的数值分析方法。求解过程中考虑了瞬态边界条件，从而避免了通常处理中边界条件设定为常数而给计算带来的误差，对于多层多孔介质每一层物性参数的非连续性，采用了有效的有限差分逼近处理。利用该处理对典型的三层墙体层与层界面处相对湿度的瞬态值进行了预测，计算结果与Liesen R J等的传递函数求解方法符合很好。     

一种渐变无反射边界条件的建立与验证

建立并验证了一种适用于非线性流动的新无反射边界条件,以简单的迁移方程模型为基础,提出了一种通量渐变消失无反射边界条件。通过乘以合适的函数,在渐变层内偏微分方程中的空间偏导项逐渐消失,从而在边界点上得到只含有时间变量的常微分方程,来解决自由区域处边界造成的定解问题。将渐变边界条件推广到了一维和二维非线性Euler方程,其方程形式简单,便于实现。在计算域边界处采用空间滤波和二维情形时角区内引入牛顿阻尼区提高了渐变边界条件的数值稳定性。在非线性情况下对二维Euler方程渐变边界条件进行了一系列的数值验证,得到了令人满意的数值结果。     

基于LPV模型参考自适应飞行边界保护控制

进行有效的飞行边界保护控制有利于预防飞行失控。研究了一种基于线性参数变化(Linear parameter varing,LPV)模型参考自适应飞行边界保护控制方法。基于函数替换方法构建了仿射参数依赖LPV飞行动力学模型,通过调度变量的动态变化来减小与全量非线性动力学模型的失配。将实时飞行边界保护转为有约束广义预测控制问题,设计了数值算法以实现对舵偏角控制量及其增量、飞行状态参数的边界保护。通过仿真分析表明,LPV模型能够较好地逼近全量模型,反映出瞬时飞行动态;通过有约束广义预测控制数值算法能够有效地实现飞行边界的保护控制。     

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。     

多外载联合作用下圆板的非线性弯曲

分析了多外载联合作用下圆板的轴对称非线性弯曲问题。分析从极坐标系下圆板弯曲的Ｖｏｎ－Ｋａｒｍａｎ方程出发，运用微分求积方法（ＤＱ法）导出了控制方程的ＤＱ形式；边缘径向位移和边缘力矩由两个统一的方程来表示，通过改变方程中的约束刚度和边缘载荷系数，实现了对任意边界条件的模拟；对最终得到的非线性方程组，用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法进行了迭代求解。文中给出了圆板受横向均布力、板心横向集中力、边缘均布径向力、边缘均布弯矩等四种载荷两两联合作用下的计算结果曲线，讨论了不同联合载荷对回板非线性弯曲的影响。与文献结果比较表明，该方法能满足各种边界条件，具有较高的求解精度。