结合双向法则的松弛迭代粒子追踪测速法

在分析基于松弛迭代的粒子追踪测速法(relaxation method based particle tracking veloci metry,简称RMPTV)原理基础上指出其计算"孤粒子无匹配"的缺陷,并提出解决此问题的双向法则。对若干自定义流场图像对中第二帧图像实施点抹除和点添加来分别模拟"粒子无匹配"和噪音点,分别运用单向及包含双向法则的RM-PTV计算其粒子匹配,通过对匹配准确率η的分析发现:单向RM-PTV抗噪能力较强,但受"孤粒子无匹配"影响严重;而双向RM-PTV则能在保持单向算法的优点下准确地计算孤粒子无匹配问题。以空间率Pv=21.845的旋转流场为例:尽管噪音百分比μa的变化对准确率η无甚影响,但无匹配孤粒子百分比μd达到30%时,单向算法准确率降至80%左右;而采用双向算法,即使μa、μd值均为30%,η仍保持在95%。最后通过对标准自定义流场图像的粒子匹配计算再次验证了双向法则去除伪逻辑匹配的可靠性。     

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第二部分 桨盘载荷的影响

采用等效盘模型与全三维黏性仿真相结合的方法,对旋翼下洗流干扰下直升机/粒子分离器的一体化流场特性进行了仿真研究.验证了ROBIN(rotor body interaction)模型,对类“阿帕奇”直升机/粒子分离器进行了大、小前进比时不同桨盘载荷下的一体化流场特性仿真,并对比了一体化条件、孤立条件下粒子分离器工作特性差异.结果表明:小前进比时下洗流对粒子分离器进口的分离流结构影响较大,且下洗流携带动能的叠加使得一体化条件下扫气流出口的总压损失反而比独立粒子分离器低;较大前进比状态下,下洗流干扰使得齿轮箱外罩鼓包后的分离区位置向两侧偏移,范围相比无桨盘载荷状态有所扩大,不过其对粒子分离器气动性能参数的影响并不明显.      

带制退器复杂流场并行算法研究

基于集群系统(CLUSTER),在Linux和MPI并行环境下,研究了带制退器的复杂膛口流场三维数值模拟并行算法。计算网格是三维多区结构化网格,数值格式采用Jameson格式及LU隐式分解方法。针对流场的复杂拓扑结构,建立分区信息文件记录各分区的相关信息,并提出了通过合并相邻网格分区的方法均衡各个进程的负载,提高程序的并行效率。在处理需要通讯的信息时,设计了自定义数据类型和"设置中间参数"相结合的方法,并通过动态分配内存减少了程序对计算机系统资源的占用。数值实验表明,本文设计的算法可以适应拓扑结构较复杂的流场,并能取得理想的并行效率,将有助于制退器性能的研究。     

3D—PDA测量2相流场时散射粒子的选择

应用激光技术测量流体速度时，需要合适的散射粒子。本文研究了激光三维粒子动态分析仪（３Ｄ－ＰＤＡ）测量２相流场速度时，如何选择合适散射粒子的问题。研究结果表明，散射粒子的合理选择是保证测量精度的重要措施之一；测量湍流脉动较强流场时，应选用密度小、直径小、折射率大的粒子作散射粒子，并选择合适的粒子散播浓度。     

3旋流燃烧室头部冷态流场数值计算与试验验证

为了探究单管燃烧室壁面开设光学观察窗与3维倾斜冷却孔对燃烧室冷态头部流场结构的影响规律,利用CFD软件对某型发动机单头部燃烧室结构及简化结构的流场特性进行数值计算,并利用粒子测速仪（PIV）对开设光学观察窗的单管燃烧室头部冷态流场进行了试验验证。结果表明：单管燃烧室冷态流场数值计算结果与PIV测量结果基本相同,验证了数值计算的准确性。燃烧室进口空气流量的增加不影响燃烧室回流区的大小;单管燃烧室壁面冷却孔的布置位置对冷态流场中心回流区几乎无影响;在单管燃烧室水平方向壁面上开设光学观察窗,对水平方向的回流区影响较大,而垂直平面上的回流区几乎不受影响。     

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.      

粒子分离器气动特性数值研究

本文利用张量分析建立了三维贴体坐标系上的通用输运方程;采用贴体网格计算了粒子分离器二相流的三维流场;建立了三维的粒子运动轨迹微分方程,理论上分析了粒子分离器结构设计对其性能的影响,与试验结果吻合较好。     

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第一部分 前进比的影响

针对典型布局条件下直升机/粒子分离器的一体化流动特性进行了仿真研究.利用相关试验数据对仿真方法的有效性进行了检验,将整体式粒子分离器安装至类“阿帕奇”直升机外型上,形成了一种典型直升机/粒子分离器布局方案,并分析了其在不同前进比下的一体化流场特性.结果表明:较高前进比下,在粒子分离器进口上游的齿轮箱外罩上出现了复杂的三维流动分离,使得粒子分离器在较不均匀的进口来流条件下工作.与独立粒子分离器状态相比,一体化条件下粒子分离器主流出口、扫气流出口的总压损失均有所加大,增幅分别为1%和8%.      

压气机转子三维流场计算中叶尖间隙网格的影响

对一带叶尖间隙的低速轴流压气机转子三维流场进行了数值模拟,通过与实验结果对比,分析了叶尖网格匹配、网格质量对压气机转子三维流场计算的影响,发现网格正交性和网格疏密过渡会影响二阶计算精度的收敛,研究还显示压升特性线不能准确的反映网格数目对计算结果的影响。      

航改燃气轮机环形燃烧室三维全流场数值模拟

采用数值模拟方法对燃用天然气的某型航改燃气轮机环形燃烧室进行三维流场分析。根据改型后燃气轮机的结构特点建立了真实的三维计算几何模型;计算中采用SIMPLE算法,可利用k-ε双方程湍流模型、六通量辐射模型、非绝热概率密度函数（PDF）燃烧模型及热力型NO模型对燃烧流动进行数值模拟,分析了燃气轮机环形燃烧室在3种状态下燃烧流场的性能。计算结果表明：在3种状态下的燃烧流场和燃烧性能均能达到设计状态。     

惯性颗粒在非均匀加速流中的输运问题

基于新型碳基颗粒增强或碳基纤维材料的再入体热烧蚀问题对飞行器的气动力/热性能影响机制尚不明确。初步研究不考虑化学反应和气体引射效应,把热烧蚀问题中的颗粒剥离问题模化为驻点流中的离散颗粒启动问题。由于高速气流在驻点温度达上万度量级,局部马赫数接近于0,研究近似假设靠近壁面的流体动力学为不可压缩的,并使用不可压缩颗粒解析的直接数值模拟方法（PR-DNS）研究一个惯性颗粒在平面挤压流和壁面驻点流中的动力学,从而揭示在驻点流中的颗粒输运机制。研究发现颗粒在壁面驻点流中的输运机制是水平输运,几乎没有垂直输运,与平行剪切颗粒床输运非常不同,这是驻点流特有的垂直向下挤压作用导致的。     

矩形截面管道气流中横向运动颗粒的碰壁条件

分析了矩形截面管道气流中横向运动颗粒的运动轨迹及碰壁条件，研究表明颗粒飞出的临界速度随着颗粒直径的增大而减小，当颗粒直径较小时受来流密度、马赫数影响较大，总趋势是来流密度、马赫数越大，颗粒越不容易与上壁面碰撞。但随着颗粒直径的增大，来流条件对颗粒是否碰壁的影响逐渐减弱，决定因素是颗粒直径的大小和颗粒的喷射速度。     

球形粒子在流体中的跟随性

本文从Maxey和Riley的粒子运动基本方程出发,得到了球形固体粒子在相对流动雷诺数很小情形下的分析解。讨论了粒子跟随性对外力、初始条件和流场性质的依赖关系;对均匀湍流场,分析了不同密度比和扰动频率对跟随性的影响     

航空发动机尾喷管固体颗粒流动特性研究

为了通过发动机尾喷管内固体颗粒的荷电水平来判断发动机的故障程度,对发动机尾喷管内固体颗粒的流动特性进行研究。选取某型发动机尾喷管为研究对象,利用ICEM软件进行建模与网格划分,通过Fluent模拟仿真分析颗粒直径和初始速度对颗粒分布的影响,探讨固相颗粒产生绳流、均匀弥散流、环流及层流等流型的条件。研究表明:局部注入的颗粒分布为绳流;对于面均匀注入方式,随着固体颗粒直径增大,其分布由均匀弥散流逐渐变为环流;随着颗粒直径和速度的增加,颗粒与尾喷管壁面碰撞加剧,部分区域出现层流;当颗粒直径和速度达到一定程度时,颗粒的分布规律保持稳定。     

基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟

通过5点Gauss-Hermite积分拟合粒子与固壁碰撞后,反弹速度和角度的概率密度分布试验数据,建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型.将该模型应用于直升机用整体式预旋与非预旋进气粒子分离器气固两相流场数值模拟,并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型(平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型)的计算结果进行了对比.结果表明:上述3种碰撞模型都能较好地预测AC粗砂的分离效率；对于C级砂,基于完全弹性碰撞模型的预测结果则过低；基于平均恢复系数模型的预测结果明显偏高,有预旋时尤其明显；而基于概率反弹模型的预测结果处于两者之间,与试验结果吻合更好.      

气固紊流剪切流中颗粒弥散的拉格朗日模拟

本文提出了一种对于气固两相紊流剪切流中圆形固体颗粒弥散的拉格朗日拟计算方法，其中考虑了颗粒间的磁撞对流体相和颗料相的影响，应用该方法对一气固紊流剪切流场进行了模拟计算，并对有、无颗粒间磁撞情况下的模拟计算结果与Lavieville用大涡模拟方法的研究结果进行了比较，并进行了讨论。     

吸水室内部流动的粒子图像测速试验

介绍了粒子图像测速(PIV)系统、泵试验装置和试验方案.利用PIV技术,对5种流量下泵吸水室内部流场进行试验研究,获得了速度矢量分布,计算得到吸水室出口断面特征参数和入口断面上的瞬时体积流量.结果表明,吸水室入口处速度分布较为均匀,出口处速度分布不均匀,且有偏流现象存在;在所研究的范围内,随着流量的增加,出口断面轴向速度分布均匀度提高,速度加权平均偏流角减小;吸水室内的瞬时体积流量存在明显的脉动特征,在较长时间内,呈正态分布,相对脉动幅值在6%之内,其平均值与涡轮流量计所测值相一致.PIV技术可用于瞬时体积流量的测量以及流场非稳态特性的研究.      

颗粒分布对绕流的影响

通过改进的格子Boltzmann方法对二维单颗粒绕流过程进行数值模拟，获得单颗粒分布在不同位置时出流速度的大小。同时，结合遗传算法与模拟退火算法导出遗传模拟退火算法，并将之用于优化颗粒分布，最终获得出流速度最小的单颗粒分布。所给数值算例验证了方法的有效性和可靠性。     

熔盐泵外特性及内部流动的试验及数值模拟

为了揭示熔盐泵内两相流动的规律,研究了熔盐泵试验方法,得到了熔盐泵的外特性.采用粒子成像测速（PIV）技术测量了蜗舌附近熔盐泵内流动,并对熔盐泵内两相流动进行了非定常数值模拟,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别,获得了晶体颗粒在熔盐泵内的体积分数分布,并分析了其演化规律.结果表明:熔盐泵内晶体颗粒体积分数分布较稳定,颗粒集中于叶片吸力面附近.粒径对颗粒在叶轮流道内的积聚影响比较大,粒径越大,颗粒积聚越明显.熔盐泵出口静压周期性波动,波动幅度受叶轮内颗粒体积分数分布影响.      

利用上游槽道对角区马蹄涡的控制

在平板上放置圆柱形成角区流动,利用布置在圆柱上游平板上的二维和三维槽道来控制或削弱角区马蹄涡,采用风洞试验和数值模拟开展研究。结果表明,二维和三维槽道均能推迟边界层的分离,使圆柱根部马蹄涡的强度减弱、尺度减小;同时槽道上游压力和逆压梯度均有所下降,槽道下游压力显著升高而逆压梯度总体降低。二维槽道对马蹄涡强度的削弱为61.15%~66.51%,而三维槽道对其削弱为66.65%~80.93%。讨论了三维槽道参数(包括槽道宽度、深度以及其中心线与圆柱中心距离)对控制效果的影响。槽道与圆柱的距离在对马蹄涡的控制中起主导作用。槽道控制的机理是,由于槽道的抽吸效应使得其上游靠近壁面的边界层中涡量较高的流体被卷吸入槽道形成槽道涡,槽道涡由三维槽道输运到下游。同时,随着槽道与圆柱的距离减小,更多的边界层流体流入槽道内。正是上述"槽道效应"使得槽道下游的逆压梯度降低,马蹄涡强度减弱,分离区范围减小。