控制机翼附面层分离的涡流发生器实验研究

本文在微型涡流发生器控制超临界翼型附面层分离实验研究的基础上,在低速风洞中研究了微型涡流发生器弦向位置和安装偏角对超临界机翼附面层分离控制效果的影响。研究结果表明,微型梯形涡流发生器对超临界机翼附面层分离的控制主要起减阻作用;其弦向最佳位置在分离线前约4倍涡流发生器高度之间;最佳安装角为35°。     

微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究

在低速风洞中研究了微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制。根据超临界翼型边界层分离特性，提出了涡流发生器的流动机理。研究了梯形涡流发生器不同高度和弦向位置对边界层分离控制效果的影响。研究表明，微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制主要起减阻作用；适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行控制，其最佳位置应在分离线前2～5日涡流发生器高度之间。     

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力，在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案，之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%，弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。     

沟槽超疏水复合壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验研究

利用TRPIV实验分别测量了湍流边界层在亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面上的瞬时速度场,对比分析了3种壁面的摩擦阻力,发现沟槽超疏水复合壁面的减阻率能够达到20.7%,而超疏水壁面只有14.6%。通过对比分析湍流边界层在3种壁面上的湍流脉动强度,发现法向湍流脉动强度在3种壁面上无明显变化,而在y+ < 150区域的同一法向高度上,流向湍流脉动强度在沟槽超疏水复合壁面上相对于亲水壁面的减小程度比超疏水壁面更高。为了进一步研究不同尺度的湍流脉动在不同壁面的变化情况,本文采用基于傅里叶变换的空间滤波法,将瞬时脉动速度场分解为空间流向波长大于δ的大尺度部分和波长小于δ的小尺度部分,发现超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面对大尺度流向湍流脉动强度的抑制作用可以到达y+=150的法向位置,而对小尺度流向湍流脉动强度的抑制作用只能到达y+=100的法向位置。采用以顺向涡为条件的大尺度脉动速度的条件相位平均方法,发现在y_ref=0.1δ处超疏水壁面和沟槽超疏水复合壁面相比于亲水壁面都存在正的大尺度流向脉动与负的法向脉动增强、负的大尺度流向脉动与正的法向脉动减弱以及脉动速度的0等值线偏离条件相位平均参考点的趋势,且沟槽超疏水复合壁面的移动趋势最弱。通过对比3种壁面不同法向高度的顺向涡强度值,同法向高度上亲水壁面、超疏水壁面以及沟槽超疏水复合壁面的涡强度值依次减弱,表明沟槽超疏水复合壁面比超疏水壁面能更有效地抑制近壁区涡结构的运动,从而实现更好的减阻效果。     

沟槽面对湍流边界层流动特征影响的实验研究

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。笔者着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现:沟槽能够增加粘性底层的厚度,减小壁面剪切力,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的不同区域中均有减小或降低,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。还讨论了该沟槽面减阻的原因。     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻.需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发.在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理.结果表明:展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小.     

超疏水表面对湍流边界层相干结构影响的TRPIV实验研究

湍流边界层中的相干结构是壁面摩擦阻力的主要来源。通过研究超疏水壁面对相干结构的影响，揭示其减阻机理。利用高时间分辨率粒子图像测速技术（TRPIV），分别对流速为0.165m/s的亲水壁面和超疏水壁面平板湍流边界层进行测量，得到了2种壁面瞬时速度矢量场的大样本时间序列。通过对比分析2种壁面的平均速度剖面和湍流度，得到了5.39%的减阻效果。通过二维空间两点相关函数的方法定义并提取相干结构，对比得到超疏水壁面能够有效减小相干结构流向尺度的结论。进一步采用λ_ci准则对发卡涡头进行识别，并以此为条件事件对其周围的脉动速度分布情况进行线性随机估计。结果表明:超疏水壁面能够有效削弱单个发卡涡头的强度，并且能够影响其周围发卡涡包结构的组织形式，整体减弱涡包下方近壁区低速流体质点的流向脉动，从而有效减小壁面摩擦阻力。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换，得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布，在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大，相干结构的平均猝发周期也相应增加，说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术，提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形，发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低，雷诺应力表现为正负交替的波动现象。     

沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究

壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关，研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律，有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理。在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中（Re_τ=190），采用高时间分辨率粒子图像测速技术，测量光滑平板和沟槽板（s+=2h+=16.3）湍流边界层，分别获得了15998个瞬时速度矢量场。使用λ_ci识别展向涡，比较了2种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例。结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小，逆向涡的数量增大，并削弱了展向涡的强度；沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加，中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小，使得近壁区顺向涡的尺度差异变小，对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响；沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例，并增大了大尺度顺向涡的数量比例，对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反。     

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.     

B/L湍流模型在强压力梯度流场计算中的应用

对在湍流计算中已得到广泛应用的Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ（Ｂ／Ｌ）代数湍流模型进行了修正。修正后的Ｂ／Ｌ模型考虑了压力梯度及物面引射速度对内层ＶａｎＤｒｉｅｓｔ衰减因子的影响。与此同时，文中还用修正的Ｂ／Ｌ湍流模型对亚声平板附面层流动、拉伐尔喷管内的正激波／湍流附面层干扰流动进行了计算。计算与实验结果比较表明，修正后的Ｂ／Ｌ模型不仅可以更准确地计算具有强压力梯度的激波／附面层干扰区内流动压力分布，而且还可以准确地预报激波／附面层干扰引起的流动分离，从而为Ｂ／Ｌ模型的工程应用开拓了领域。     

子波变换在实验流体力学中的应用

介绍了子波分析的历史、基本知识以及在实验流体力学方面的应用。讨论了子波变换在客观辨识湍流边界层相干结构方面的应用。作者用子波变换的方法提出了确定湍流边界层相干结构挥发时间尺度的能量最大准则，提取了相干结构对应的速度信号波形。用于波变换研究了湍流边界层脉动速度信号的局部奇异性行为，发现相干结构发生处脉动速度信号的局部奇异性指数为负值。     

两类流场下悬臂圆柱气动力特性对比研究

对长径比L/D=2的悬臂圆柱在来流风速5~20m/s（Re=1.73×105~6.90×105）下进行层流来流和湍流来流（I_u=9.5%）风洞试验，研究亚临界至超临界雷诺数、高湍流度下悬臂圆柱绕流的气动力特性，包括阻力系数、平均风压分布、脉动风压分布等。结果表明:（1）层流来流下，悬臂圆柱长径比越大，临界区间阻力系数降幅越明显；超临界区间，悬臂圆柱长径比越小，阻力系数越大；亚临界区间脉动风压峰值在距驻点70°位置出现，超临界区间峰值位置后移至110°~115°且脉动风压分布出现明显尖峰。（2）湍流来流下，L/D=2悬臂圆柱脉动风压峰值位置与层流来流超临界雷诺数下的结果一致，峰值大小随雷诺数的变化较为平缓。     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术，在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析，并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明，基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度，结合仿真分析，可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

噪声对边界层转捩的影响

风洞流场的噪声和湍流度是影响层流边界层转捩实验结果的两个重要因素。本文通过实验初步研究了噪声对转捩的影响，实验包括：输入声影响和风洞流场的噪声。结果表明：声频和声压在数值上都存在敏感区，风洞噪声是宽带噪声，以低频为主（至少低速风洞是如此），这对层流边界层转捩有重要作用；风洞噪声会随风速加大而增高；在稳定段用栅格改变湍流度时，实验流场的噪声会随湍流度升高而增加。     

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。     

低湍流度风洞中的斜置翼三维边界层测量试验研究

在西工大低湍流度风洞中，于不同后掠角和湍流度下，以４５°单丝热线探头，在斜置翼上测量三维边界层速度型并计算特征参数的情况表明：横流影响的规律性明显，三维速度型扭曲相当复杂；后掠角和湍流度增大时，速度型和厚度的发展、不同层次的流线偏移和特征参数的变化受横流影响更为明显。