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。     

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内，数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响，导致涡量耗散过快，不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题，文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法，获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法，对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场，从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理，比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响，以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明，开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度，但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

水翼叶梢涡空化实验研究进展

针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象，国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述，梳理未来的研究方向及关键问题，为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题，基于旋涡理论模型及流场测量技术，对不同翼型的梢涡结构特征进行分析，根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间)，初步认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化发展问题，以辐射噪声骤增为典型特征，借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术，研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征，通过进一步解释"涡唱"现象，深入认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化溃灭问题，溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械，对结构物的振动与剥蚀影响很小，本文不作详细阐述。此外，对梢涡空化初生的准确预报，一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底，主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。     

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。     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统( DPIV)对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测.结果表明:在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性.     

基于时间解析PIV的圆柱绕流尾迹特性研究

采用时间解析PIV（采样频率为1000Hz）在0.55m×0.4m声学风洞中测量了直径D=20mm圆柱后方7.5倍直径、圆柱两侧各3.3倍直径所围成范围内的绕流尾迹在雷诺数Re=2.74×104下的非定常流场。针对PIV获得的速度场数据，进行流场和频谱特性分析，探讨了圆柱绕流尾迹中的平均流场和脉动流场特性，以及旋涡脱落的频率特性。提出了基于速度场之间相关性的相位平均分析方法，系统分析了圆柱上下两侧旋涡交替生成、脱落、发展并耗散的完整演化过程。结果表明:在圆柱后方存在一个低速回流区，其中心0.8D的位置附近是流动结构变化最剧烈的区域；圆柱后方1.9D位置附近是上/下两侧脱落旋涡交汇、耦合的区域，湍流脉动最强；圆柱绕流尾迹中，旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数稳定在0.2左右；基于速度场之间相关性的相位平均分析方法简单有效，可以准确地识别绕流尾迹中旋涡交替脱落和发展的时空演化过程，在非定常流场测量方面具有普遍推广意义。     

LEBU湍流减阻的展向扩展实验研究

利用大涡破碎器（ＬＥＢＵ）测量和考察了跨越平板湍流表面边界屋的速度型和动量厚度沿展向的分布，结果表明，ＬＥＢＵ的存在有可能扩大了层内流动参数沿展向的非均匀性；此外，还介绍了一个两对反向旋转的纵向涡模型，真实存在于风洞的横截面上，影响了展向非均匀性。使用本文介绍的一种沿展向非均匀性处理方法，对表面湍流摩阻估算的结果与使用摩擦阻力天平直接测量的结果基本一致。     

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量,揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性,这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明,对于未破裂的边条涡,存在着两种非定常特性,其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡,则发现与未破裂的涡相比,截面上涡量分布的区域突然扩大很多,最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量,这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。     

涡与边界层相互干扰的实验

本文采用热线风速仪单丝测试技术详细测量了沿流向的单涡、双涡、三涡作用下的涡流场;分析了流向涡在平板湍流边界层内及附近沿程的发展规律以及涡与涡、涡与边界层的相互作用,讨论了流向涡在边界层内部时,用高斯涡核模型假设的适用范围。     

微型涡流发生器对超临界翼型减阻机理实验与数值分析

针对安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻问题，先用风洞实验测出微型涡流发生器对超临界翼型升阻特性的影响，然后采用RANS方程和κ-ε湍流模型进行数值模拟，分析安装在超临界翼型后部的微型涡流发生器减阻原因。研究发现:微型涡流发生器使下游近壁面处低能气体向上卷起与外层高能气体掺混，近壁面平均湍动能增加、翼型后部脉动压强增大，压差阻力减小；湍流应力由速度梯度、湍流粘性系数和脉动压强共同决定，虽然气流掺混，弦向速度法向梯度减小、湍流粘性系数减小，但展向速度法向梯度和脉动压强增大，湍流应力增大，摩擦阻力增大；微型涡流发生器尺寸很小，完全浸没于附面层内，仅掺混与它高度相当的附面层内流体，对附面层厚度影响小，对翼型升力影响小。     

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场，研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用，而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系，发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。     

低旋流数旋进射流流场结构演变的POD分析

利用粒子图像测速技术（PIV）对雷诺数Re = 4.5×104的低旋流数旋进射流流场进行了实验测量,并利用本征正交分解（POD）方法对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构。针对3种不同旋流数（S = 0、 0.26和0.41）,对比分析了POD分解得到的空间模态以及用POD模态重构后的脉动速度场的变化规律。POD分析得到的结果表明:旋进导致流体交替地从腔体一侧沿着壁面流出,从另一侧流入;旋进刚发生时,上游剪切层内的旋涡结构尚未完全破坏,它们会一直向下游发展直至旋进起始点附近后,开始随着主流一起偏转,而下游剪切层内的大尺度结构被完全破坏;随着旋流数的增加,旋进以及射流的自身振荡被加强,从而导致流场结构更加复杂、大尺度旋涡结构被破坏。     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

组合小翼和翼梢喷流对翼尖涡的影响实验研究

对翼梢组合小翼构型和翼梢喷流控制翼尖涡进行了实验研究,在此基础上,提出组合小翼与翼梢喷流联合控制翼尖涡的方法,并对翼尖涡的控制效果进行了实验研究。实验在一低速直流式风洞中进行,基本模型为NACA0015二元截尖翼型,基于弦长和自由来流速度定义的雷诺数Re=5.3×104,喷流系数(喷流与自由来流的动量比)Cμ=0.017。研究结果表明:组合小翼构型能有效破碎主涡,改善翼尖部位的局部流动,并使最大升力系数提高12.3%;喷流可加剧涡核摆动,控制涡核位置,对翼尖涡的初始生成有一定的抑制作用;2种组合构型均达到了较好的翼尖涡控制效果,其中,喷流加强了组合小翼产生的同向涡之间的相互作用。在X/C=3时,瞬态涡量峰值的平均值相比单独用“+0-”构型控制时减小37%,比没有任何控制时减小79%。组合构型的控制效果取决于喷流控制能否促使翼尖涡主涡与小涡涡系尽早、尽快地相互作用以及主涡涡核的偏移方向。     

光滑圆盘上小半球对边界层发展影响的实验研究

应用氢气泡流动显示技术对圆盘上小半球对边界层转捩的影响进行了观测.实验结果表明当Rer＞302时,将会从小半球脱落周期性的发卡涡.发卡涡在自诱导速度的作用下产生倾斜向上的运动,发卡涡头部顶端率先进入高速流区,因而比其根部运动更快,使发卡涡受到流向的拉伸,增加其流向的涡强,增加了流向涡强将使发卡涡的头部有更大的向上速度,由此而形成了不断加强的拉伸、自诱导过程,这就使三维扰动快速增长,导致边界层速度剖面出现局部的暂时变形,从而产生一个强剪切层,强剪切层很不稳定,导致发卡涡破裂而形成湍斑,在下游发展成完全湍流,而在边界层转捩过程中则观察到了水充速度有很强的负脉动.在小半球前缘附近会形成稳定的standing涡,并对standing涡及发卡涡对周围流体的诱导作用进行了细致的分析.小半球对边界层的扰动以锲形向下游传播,锲形的半顶角称为扰动扩散角,一个半球与三个半球的尾迹区没有明显的区别,每个半球扰动的扩散角均为5.7°.     

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。     

计及机匣相对运动的涡轮叶片叶顶凹槽流动研究

叶尖泄漏流是造成航空发动机涡轮内部损失的重要因素,而凹槽叶尖是控制叶尖泄漏流的有效手段,准确了解凹槽内的流动结构有助于认识泄漏流的流动规律和泄漏损失的物理机制。为了详细研究考虑机匣相对运动时叶尖凹槽腔内流动结构变化及其对泄漏流的影响,搭建了可模拟机匣相对运动的低速平面叶栅实验台,该实验台可以进行不同叶型、不同叶顶结构以及不同攻角等因素的研究。采用PIV技术设计了一种可以在机匣相对运动时对凹槽腔内流动进行测量的可视化测量方法。使用该测量方法捕捉到了凹槽腔内旋涡的流动结构,结合数值结果分析了不同机匣运动状态下凹槽腔内流动结构的演化过程,结果表明:刮削涡在凹槽腔内形成类似气动篦齿的封严效果,减小了间隙出口有效流通面积,降低了凹槽叶尖的射流系数,从而达到了控制泄漏流动的目的;选择合适的负荷分布和凹槽几何能够提升刮削涡的堵塞效果并扩大控制范围;均匀加载叶片使用叶尖凹槽时控制泄漏流的效果更加明显;径向间隙的大小直接影响叶顶凹槽内部流动结构的产生和演化,从而改变凹槽叶尖控制叶尖泄漏的效果。     

基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计

针对 MD-82真实客机座舱内现有的壁面条缝型送风口流场平均流速沿座舱轴向分布的不均匀性,提出了一种送风口条缝形芯内结构的设计,使条缝型送风口处气流混合更加均匀,湍流发展更充分,平均流速沿座舱轴向分布更加均匀。并利用热线测速技术,精细测量条缝型送风口流场进行验证。从吹风感舒适性要求出发,利用子波分析,对条缝型送风口流场不同位置的瞬时速度时间序列信号作多尺度湍涡成分分析。结果表明:加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流脉动特征频率始终维持在21.83Hz 左右,而导致人最不舒适的空气速度脉动频率为0.2~0.6Hz,从而证实加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流提高了人体感觉的舒适性。     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。