脱体涡模拟方法研究及其应用

基于现有的非定常雷诺平均N-S方程的求解方法,研究与发展了脱体涡模拟方法（DES）。在紊流附面层内用RANS方法,湍流模型采用S-A模型,在其他区域结合S-A模型运用Smagorinski的LES模型,并将S-A模型中的物面耗散项进行适当的改进,使得改进的模型既充当了RANS中的S-A紊流模型,又充当了Smagorinski大涡模拟模型。为验证所发展方法的有效性,将研究的DES方法应用到一些典型流场计算中,并与已有结果或实验结果进行比较。     

基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

翼尖涡流场特性及其控制

大型运输飞机的尾涡系是诱发后继小型飞机空难的重要原因,需要有效的涡控制装置来削弱其强度.通过风洞实验,研究了翼型为NACA23016的矩形半机翼模型翼尖尾涡流动结构和控制方法.应用七孔探针空间流场定量测试技术研究了翼尖涡的流动结构,给出了翼尖尾涡在下游两倍弦长距离内的速度和压力场分布随迎角变化的规律.在机翼翼梢布置不同组合方式的翼梢涡扩散器,来控制翼尖涡.研究结果表明,正负90°和60°安装角的双翼梢涡扩散器可将翼尖涡涡核的静压增加60%以上.其旋涡强度削弱机理为:翼梢涡扩散器将集中的翼尖涡破碎分成两个或多个强度更弱的旋涡.在流体粘性的作用下,旋涡能量耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度.     

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

鸭式布局机翼的数值计算

本文将计算单独机翼的非线性离散涡法和集中涡核法以及二者的结合发展应用于鸭式布局机翼的气动特性计算。在集涡核的计算模型中除了对机翼附涡系和自由尾涡的模拟外，还包括了对机翼前缘涡的自由涡面、集中涡核及涡核卷吸作用的模拟。本文给出了三种不同形状鸭式布局的算例，结果表明，本方法的计算结果与实验结果和其他计算结果吻合得很好或接近。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。     

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

反弹自消散系统尾涡控制机制研究

为了研究加快尾涡消散的机理,以获得更合理的尾流间隔,进行了壁面反弹实验的数值模拟计算。实验采取在模拟机翼后缘安置反弹面的方法,诱发反弹二次涡与主涡相交出现不稳定性,以加快尾流衰减。数值计算运用N-S方程,对雷诺应力项采用Realizableκ-ε涡粘模型进行计算,分析经二次涡干涉后尾涡轴向涡量衰减、涡核下沉运动等参数的变化,以探究反弹二次涡对飞机主涡消散的演变影响。实验结果表明,反弹涡对主涡衰减有明显的促进作用。该实验为人工干预缩减机场尾流间隔的研究奠定了理论基础。     

剪切翼尖对机翼气动效能影响研究

尖切翼尖作为一种重要的翼尖装置,由于实现简单,能有效得减小机翼得诱导阻力且对飞机的其它性能影响小,而受到广泛的应用.基于数值模拟结果对尖切翼尖的前缘后掠角及根梢比对机翼气动性能的影响进行了对比研究.给出了前缘后掠角和根梢比对气动性能的影响规律,并通过分析涡位置和强度的变化,得出涡位置及强度和气动性能的关系.     

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=5.3×10^4,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。     

翼梢涡的结构与控制方法探索

本文的研究目的是弄清机翼翼梢涡的结构及安装翼梢扰流片对翼梢涡的影响,研究方法是设计制作了几种不同的扰流片,分别把它们安装到一个基本翼的翼梢上,利用氢气泡显示法在槽中观察了无附加扰流自发安装不同扰流片时翼梢涡的结构和衰减过程,利用激光测速仪在水洞中测量了有无扰流片时翼梢涡的周向速度分布,给出了翼梢涡影响标度的衰减曲线。实验结果表明：扰流片对翼梢涡的初期结构有影响,但对翼梢涡的中、后期发展影响不大。     

三角翼前缘脱体涡和尾涡的卷起及其相互作用

本文应用二维非定常比拟和恪子涡(Vortex-in-Cell)方法,数值模拟了三角翼前缘涡层的卷起以及与尾涡的相互作用。由于使用了数千个点涡和较小的空间网格,获得了前缘涡层小涡配对出现的较大的离散涡,模拟了紧卷涡层的不稳定现象。这是以前类似的工作未曾实现的。     

非定常扰动对涡破裂的影响

在旋涡发生器内进行了涡管内的涡破裂研究。试验表明,不论是泡状或是螺旋状破裂,趋近破裂点时流速均趋于零;非定常扰动使涡轴附近的轴向速度增大,从而延缓了涡破裂的发生;在定常流参数、扰动频率和振幅的适当组合下,扰动可促使破裂状态由泡状转变为螺旋状,大大推迟涡破裂的发生。初步的理论分析表明,上述现象可能来源于流动共振。文中最后还给出了水槽中前缘振动襟翼的实验结果。试验表明,襟翼振动可延缓破裂的发生,且存在一个最佳的频率。试验中还发现,大迎角时,若襟翼不振动,可交替地只在一侧产生前缘涡,襟翼振动可消除这一现象。     

卡门涡街与翼型的相互作用

本文利用保角变换,用离散涡方法求解了卡门涡街与翼型的相互作用。较详细地分析了它作为偶极子声源的特性,并模拟了在涡翼相互作用过程中尾迹的发生和演化。计算结果表明:在相互作用时,尾迹所吸收的声能可以是正值也可以是负值;升力和声偶极子强度出现了周期性脉动,这种脉动与翼型的振动和噪声有直接的关系。     

不同深宽比陷窝诱导涡结构分析

陷窝所诱导的旋涡强化动量或热的交换,使得陷窝在分离流动控制和强化对流传热研究中很受关注。深宽比是影响陷窝诱导涡结构的重要参数,开展了深宽比对陷窝诱导涡结构影响的研究。研究发现,深宽比为0.06时,涡结构为马蹄涡;深宽比为0.1至0.14时,涡结构为闭式分离泡;深宽比为0.16至0.20时,涡结构为对称类龙卷风涡;深宽比为0.22至0.30时,涡结构为非对称类龙卷风涡。通过涡核涡强度对比发现,过深的陷窝和过浅的陷窝其内涡强度均比中等深度陷窝弱。     

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义。利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析。结果表明：流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的。     

关于旋涡定义的思考

针对旋涡定义这个长期未解决的难题,在分析历史上提出的几种思路的基础上,本文提出:定义旋涡的总目标,应当体现其管状运动形态,并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合;该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果,并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此,本文根据涡量场演化的已知规律,提出了旋涡的一个动力学定义,作为继续深化讨论的参考。同时提出,人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据,虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用,但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下,近十年来形成的涡量面理论,有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。     

机匣相对转动对涡轮叶顶间隙流动的影响

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要因素之一。对LISA 1.5级轴流涡轮内三维流动的数值计算结果表明:当叶片静止时,叶片顶部压力面静压增加,叶片顶部载荷增大。通过间隙的流量增加,同时吸力面侧在叶片前缘、叶片中部各形成一个间隙涡。叶片前缘间隙涡会迅速耗散,同时使得叶片中部形成的间隙涡维持在吸力边附近,上通道涡被排挤到间隙涡下方,导致动叶出口截面上、下通道涡形成的高损失区合并,影响范围增大。     

DBD涡流发生器及其在角区流动控制中的数值研究

为明确介质阻挡放电(DBD)涡流发生器对马蹄涡的影响,在采用唯象模型的基础上,通过数值方法研究了DBD涡流发生器诱导产生流向涡的结构特性及其对马蹄涡的控制特性。研究结果表明,流动在激励器上游边缘处形成羊角涡,自由剪切层卷入流向涡的涡核并为其提供持续涡量;在柱体根部角区流动中,当对称面两侧激励器诱导流动指向对称面,诱导涡与马蹄涡环绕方向相反时,马蹄涡可以得到有效抑制,反之,则控制效果不佳。最后得出,诱导涡对下游马蹄涡的控制机制体现在其黏性扩散作用、掺混作用以及低压效应3个方面。