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.     

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。     

可压缩平板边界层转捩的大涡模拟

入口利用层流速度型叠加二维和三维Tollmien-Schliting(T-S)波,应用动态亚格子模型、预处理技术以及高精度算法,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)数值计算方法,对可压缩平板边界层空间模式的转捩机理及其拟序结构进行了研究。计算结果展示了T-S波经历线性、非线性发展阶段破碎形成发卡涡,最终演化成具有4个涡环的涡链结构的整个过程,并揭示了发卡涡涡腿并非完整对称及低速条带在涡环产生的位置不连续的现象,探讨了主流向涡与壁面相互作用诱导生成次流向涡的机理。     

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。     

边界层中TS波及其高阶谐波的演化

基于抛物化稳定性方程，研究了边界层中TS波及其高阶谐波的线性和非线性演化问题。由局部法和Landau展开式导出初始条件，并计算了扰动幅值和速度型等的演化过程和特征，特别是非线性的重要作用。探讨了初始幅值、压力梯度、扰动频率对扰动演化的影响及其规律，这与边界层的稳定性和转捩研究紧密相关。算例结果与全Navier—Stokes方程的直接数值模拟结果一致。     

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。     

平面COUETTE流动的湍流斑研究

湍流斑是近壁剪切流动中的重要现象,它们的生成和发展与流动转捩和湍流的形成密切相关.采用Navier-Stokes方程直接数值模拟和壁面脉冲模型研究平面Cou-ette流动中湍流斑的生成和演化.高精度高分辨率的三维耦合紧致差分格式被用于数值计算.探讨了平面Couette流动中湍流斑的重要特征,包括高频脉动的形成、雷诺应力的产生、扰动的急剧增长和湍流斑形状的变化,特别是流向涡的复杂演化过程.结果表明层流流动中的湍流斑具有湍流流动中一些基本特征.     

从壁面脉冲到湍流相干结构演化的数值模拟

发展了高效求解基于Navier-Stokes方程的扰动方程高阶紧致差分方法，研究了壁面强脉冲到湍流相干结构的复杂演化过程。该方法采用高精度、高分辨率的三维耦合中心差分格式，以及和高阶时间分裂法相结合因而更为有效，比一般谱方法更适用于较为广泛的流动区域和边界条件的湍流相干结构研究。中模拟了槽道流动中壁面强脉冲诱导的湍流相干结构的产生、发展和演化过程，显示了湍流相干结构的基本特征和发展规律．计算结果表明，所用壁面强脉冲模型比共振三波模型更有效．     

贴壁二维方柱绕流对壁面摩擦应力的影响

利用TR–PIV与平行双丝热线,对平板边界层内的贴壁二维方柱绕流流场和壁面摩擦应力的关联进行了实验研究。主要关注方柱下游大尺度流动结构的运动对近壁面流向平均速度零点处摩擦应力的影响(基于方柱宽度与来流风速定义的雷诺数固定为1.1×10⁴)。研究表明,贴壁二维方柱绕流产生了2种典型的流动结构：一为向壁面靠近并接触壁面的近壁流动结构,本文称“I涡”;一为平行壁面沿流向运动的流动结构,本文称“Ⅱ涡”。Ⅰ涡、Ⅱ涡的出现改变了壁面附近流动速度的大小和方向,影响了测点壁面摩擦应力：增大了流向速度梯度,导致摩擦应力陡增;减小了流向速度梯度,导致摩擦应力锐减;改变了摩擦应力方向。本文研究结果可为理解表面冲蚀、污染物聚集、近壁面湍流耗散等问题的机理提供参考。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究.粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5.基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740~17400.实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围.粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高.沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度.粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性.尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响.     

展向离散抽吸法控制边界层转捩实验研究

通过实验成功发展了一种生成大振幅稳定条带的有效方法,即展向离散抽吸方法。在此基础上,开展条带控制边界层转捩的研究。实验在水洞中进行,以零压力梯度平板边界层为研究对象,利用氢气泡时间线法观测引入条带前后人工激发转捩边界层中扰动发展变化,分析条带对转捩的控制效果及参数影响。结果表明,展向离散抽吸方法生成的稳定条带最大振幅可达28.4%U(U 为自由流速度);实验中引入的宽度14和28mm 的稳定条带都能起到抑制转捩的作用;条带振幅越大、宽度越窄,抑制效果越明显。研究结果为探索降低水/空气中航行器摩阻的新技术提供有价值的参考。     

逆压梯度转捩边界层流动结构显示

采用氢气泡时间线方法,对逆压梯度条件下人工激发平板边界层转捩过程中扰动的发展和演化特性进行观测,其中引入计数器技术实现对不同位置的平面图及侧面图的流动显示结果在同一相位条件下进行分析.除了T-S波和发卡涡等典型的流动结构,试验结果还揭示出转捩过程中二次发卡涡的再生、展向多个发卡涡的出现以及流动破裂等重要现象的细节和机制.     

高负荷扩压叶栅吹风试验流场二维性控制技术研究

平面叶栅风洞侧壁附面层引起流道收缩,破坏叶栅流场二维性,扩压叶栅逆压梯度会加剧收缩,且随负荷增加越发显著.针对某高负荷扩压叶栅,研究了影响叶栅吹风试验二维性的因素及不同轴向位置端壁抽吸的改善效果并探索了分布式抽吸.结果表明:常规试验叶栅端壁附面层发展会挤压主流,使其加速,扩压性下降,造成流场失真,总压损失偏差最小达23...     

基于层析PIV的湍流边界层展向涡研究

层析PIV是一种现代激光测速技术,能实现三分量空间体内三分量(3D3C)速度场的测量。应用层析PIV测量Reτ=1768的平板湍流边界层,得到150个瞬时速度场,测量体的大小为80mm×16mm×45mm。旋涡强度λci 准则用来进行涡识别,而旋涡强度在展向的投影λzci 被用来识别展向涡。根据λzci 的连通域得到展向涡位置后,统计了展向涡沿法向的变化规律,并给出了在流向-法向平面内高低速区域和正负展向涡空间位置的关系。统计结果表明:随着法向高度的增加,展向涡的强度逐渐降低;负展向涡的流向平均速度高于正展向涡,且流向速度与法向速度有很强的依赖性;在小尺度范围内,流向-法向平面内的高低速流动区域与正负展向涡的空间位置密切相关。     

Fuzzy Optimal Control Design for Ship Steering

This paper presents a method to design a control scheme for nonlinear systems using fuzzy optimal control.In the design process,the nonlinear system is first converted into local subsystems using sector non-linearity approach of Takagi-Sugeno(T-S) fuzzy modeling. For each local subsystem,an optimal control is designed. Then,the parameters of local controllers are defuzzified to construct a global optimal controller. To prove the effectiveness of this control scheme,simulations are performed using the mathematical model of Esso Osaka tanker ship for set-point regulation with and without disturbance and reference tracking. In addition,the simulation results are compared with that of a PID controller for further verification and validation. It has been shown that the proposed optimal controller can be used for the nonlinear ship steering with good rise time,zero steady state error and fast settling time.