钝圆柱体分离流动声振控制的实验研究

在Ｒｅ＝３．０＊１０＾４－１．０＊１０＾５的范围内,实验研究了声激励对钝圆柱体分离动的影响,分离剪切层发展演化的改变,给出了最佳声激励频率范围,并探讨了声激励控制分离流动的作用机理。研究结果表明,最佳激励频率范围具有普适性,该结果对工程实际具有一定意义。     

钝圆柱体分离流动声振控制的实验研究＊

在Ｒｅ＝３．０×１０４～１．０×１０５的范围内,实验研究了声激励对钝圆柱体分离流动的影响,分离剪切层发展演化的改变,给出了最佳声激励频率范围,并探讨了声激励控制分离流动的作用机理。研究结果表明,最佳激振频率范围具有普适性,该结果对工程实际具有一定意义     

武器舱气动噪声主动流动控制技术风洞试验研究

针对飞机弹舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性等问题,以高速风洞动静态压力测量技术为研究手段,开展了基于脉冲射流激励器（Powered Resonance Tubes,PRTB）的武器舱气动噪声抑制技术试验研究。试验结果表明,试验模型具有典型的开式空腔流动特点,武器舱内部非定常流动引起的声载荷可达到150dB。PIV 试验结果研究表明空腔前缘布置主动脉冲射流激励器对剪切层施加激励,会改变武器舱上部剪切层的流动特性,对这种高强度的声载荷起到一定的抑制作用。     

NS-DBD激励控制非细长三角翼前缘涡仿真研究

通过在三角翼前缘施加纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）激励唯象学模型，进行了47°后掠角钝前缘三角翼流动控制的仿真。分析了不同迎角下升力和阻力系数的变化、流场结构的变化、以及激励诱导旋涡的演化过程。研究表明:施加无量纲激励频率F+=1.44的NS-DBD激励后，可明显提高三角翼失速前后的升力系数；同时阻力系数也有所增加，变化趋势与实验结果一致。激励在前缘分离剪切层处诱导产生流向涡，改变了前缘剪切层结构，使其向内卷吸；激励后时均流场形成了明显的负压峰值，前缘涡附着线外移，吸力面回流区减小。      

旋成体非对称背涡特性及其形成机理的研究

本文对不同头部形状旋成体模型进行了低速风洞实验,揭示出它们不同的绕流现象和流动特性.尖锥旋成体两侧主分离线呈现为开式分离线,其分离剪切层在对称背涡中均表现为层流状态.而在非对称背涡中两侧表现为不同的剪切层状态,钝头旋成体绕流中存在头部的闭式分离区,两侧的主分离线在其下游,它的主分离剪切层从对称发展到非对称均呈现为湍流状态.通过对两类旋成体绕流结构的比较分析,得出尖锥旋成体的非对称背涡是由于两侧分离剪切层状态不对称引起的,而钝头旋成体则是由于旋成体背涡的动力不稳定性引起的.该机理分析的结论还得到测力结果的支持.     

带尖针杆的钝体粘性绕流的数值模拟

用无波动、无自由参数耗散的差分（ＮＮＤ）格式数值求解了Ｎ－Ｓ方程,模拟了尖锥柱与球头组合体的高超音速粘性流动;清晰地给出了激波、膨胀波、剪切层和旋涡等流动图象。计算给出的定常流场与实验图象甚为一致。通过数值模拟研究了激波、旋涡的形成和发展过程以及相互作用情况。发现分离区中的旋涡存在分叉、合并及二次分离等演变历程。钝体主激波和分离激波从开始形成到相互撞击;发展到在与分离区相互干扰下向前、向后运动和变形;最后趋于定常状态。     

声涡相互作用下翼型分离泡内流动动力学特征

基于LBM-LES方法对中等雷诺数下NACA0012翼型气动噪声进行了直接模拟，得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场，分析了剪切层内流体动力学特征。结果表明：翼型壁面附近剪切层内，扰动从分离前T-S不稳定分离后向K-H不稳定转变，K-H不稳定对扰动的增长起重要作用；分离泡内湍流强度显著增长直至转捩成湍流，但流动再附后，湍流强度有所降低；750 Hz的大尺度旋涡结构是在分离泡内形成并发展成稳定结构，而2次和3次谐波频率对应的旋涡结构形成于流动转捩后，在分离泡外发展成稳定结构，说明远场2次及3次谐波纯音噪声和750 Hz主纯音噪声生成机理不同。     

湿热环境下复合材料层合板振动与声辐射特性分析

研究了湿热环境中正交各向异性复合材料层合板结构受简谐激励作用的振动和声辐射特性。考虑了湿热应力和质量效应,利用一阶剪切变形理论和模态叠加法推导出四边简支层合壁板的固有频率计算公式,并采用Rayleigh积分得到其在简谐激励下的声辐射特性公式。基于湿热膨胀的等效性获得不同湿热环境下复合材料层合板的等效热膨胀系数,并进行有限元数值模拟,对理论公式进行了验证。算例结果表明,湿热环境导致复合材料层合板产生湿热应力,使得固有频率减小;单层板的振动特性对湿度和温度的变化更敏感;随着湿度和温度的增加,简谐激励作用下的复合材料层合板的振动速度响应、辐射声压级(SPL)、辐射声功率和声辐射效率曲线的波峰逐渐向低频方向移动,同时声辐射效率随之降低;低阶固有频率受湿度和温度的影响更加明显,声辐射特性曲线中低阶模态的波峰移动更显著。     

声激励增升机理研究

提供了内部声激励增或机理的试验及数值研究结果，风洞试验就二元后台阶模型，平板ＮＡＣＡ００１２翼型分别在两座不同的低速风洞中完成，试验和数值研究表明内部声激励能有效控制模型表面气流分离，有明显的增升效果，并从试验和数值计算两地声激励增升机理进行了较深入的探讨。     

飞翼布局飞机武器舱综合流动控制技术研究

 针对飞翼布局飞机武器舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性和全机开舱附加阻力问题,以高速风洞气动噪声及气动力测量为研究手段,开展了基于前缘扰流片激励的武器舱综合流动控制技术试验研究。试验结果表明:对于飞翼布局飞机,武器舱开启对飞机气动性能有较大影响,巡航状态下,武器舱打开后使全机阻力增加了60%~110%;武器舱气动噪声高达185 dB;内埋武器分离过程中存在较大的抬头力矩,不利于武器分离。通过在武器舱前缘布置扰流片对剪切层施加激励,可以有效改善武器舱流动特性。巡航状态下武器舱开舱附加阻力最多降低20%;武器舱噪声降低5~8 dB;同时可以有效改善内埋弹分离特性。     

声激励下的剪切流稳定性

受控小扰动对流动稳定性与流场结构的调制作用具有潜在价值，但机理和失稳过程目前尚未完全明确。采用格子Boltzmann数值方法，对声场扰动条件下平行剪切流失稳过程开展了直接模拟研究，探讨了流动失稳的机理。研究表明，点源声场作用下的剪切流失稳形式依赖于激励声波的波长—文中定义为长波模式和短波模式，声波振幅的空间分布不均匀性是剪切层失稳的重要诱因。在短波模式下，受多普勒效应影响，剪切层上下两侧声波叠加效应导致流动上游区域压力脉动的波包结构；该结构的波长与剪切层失稳波长匹配，诱导流动失稳发生。在长波模式下，剪切层上声源垂直入射区首先失稳，剪切层对声波反射的方向选择性导致声压波动振幅分布的对称性破缺，且失稳区压力波动波长随时间推进而逐渐减小。当该波长落入剪切层失稳波长范围内时，剪切层流动开始失稳。     

高负荷低压涡轮边界层转捩的实验研究

为了研究高负荷低压涡轮边界层的非定常转捩过程及雷诺数对尾迹边界层相互作用机制的影响,采用热线和表面热膜测试技术在高负荷叶栅实验台上对吸力面边界层的非定常时空演化进行了实验测试。结果表明:高负荷叶型的吸力面边界层在没有来流尾迹作用的情况下会不可避免地发生分离。分离剪切层中的K-H无粘不稳定机制主导了失稳转捩过程;来流尾迹的逆射流会与边界层相互作用,产生卷起涡结构,从而促进分离剪切层的转捩过程。边界层的分离被转捩产生的湍流条带及其后的寂静区抑制;随着雷诺数降低,分离点向上游移动11.4%吸力面弧长,分离泡的流向和法向范围扩大,尾迹引起的卷起涡结构尺度也随之变大。雷诺数通过改变分离剪切层的状态对转捩机制产生影响。     

非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

尾迹对低压涡轮边界层稳定性的影响

在低压涡轮内部上游周期性扫过的尾迹是下游叶片排内最重要的非定常扰动源,会对边界层的失稳和转捩过程产生决定性的影响.在施加低压涡轮负荷分布的平板上,采用热线对雷诺数为130000工况下,有/无尾迹作用时分离剪切层中的速度波动进行了测量.通过对比两种工况下分离剪切层中的扰动发展,分析了尾迹对分离泡稳定性的影响.结果表明:在无尾迹来流工况下,扰动在分离泡前部的增长符合线性不稳定机制,扰动增长至饱和后非线性机制开始起作用.主导分离剪切层的失稳过程的为K-H(Kelvin-Helmholtz)无黏不稳定机制.尾迹与分离剪切层的相互作用产生的扰动的增长在分离泡前部同样满足线性不稳定机制.尾迹加速了分离剪切层的失稳转捩进程,从而抑制了分离.      

动态纹影-光子相关测量技术在超音速剪切流中的应用

 对一个分离后的二维超音速剪切流进行动态纹影——光子相关测量,得到了剪切层中大尺度涡的迁移速度以及由大尺度涡流诱导的剪切层自维持振荡频率。同时由光子相关测量可以估算剪切层中紊流动能的分布。发现了高速剪切层中大涡结构的某些特殊性质。结果表明这一测量方法在复杂高速流动的测量中具有潜在的优势。     

三圆柱绕流的实验研究

通过风洞实验研究了在亚临界雷诺数下成等边三角形布置的三个相同直径的二维圆柱在不同风向角下的表面压力分布的变化。研究结果表明,在较小间距比时,随风向角的变化会产生由邻近、剪切层和尾流三种不同机理引起的相互干扰。在一定的风向角下,由于上游柱分离剪切层的直接作用,处于下游位置圆柱的内侧或外侧会出现大面积的负压分布,因而产生很大的横向力。这种在圆柱表面单侧形成的大面积负压分布与某种同期性的旋涡脱落或分离剪     

空腔流激振荡的简化模型分析及振荡频率预估

本文由矩形空腔后缘声振动反馈激励腔口自由剪切层不稳定波的观点出发,把空腔流动振荡问题构造成一个关于空腔内外扰动波的非齐次边值问题,应用Ｆｏｕｒｉｅｒ－Ｌａｐｌａｃｅ变换技术求解,可以预估振荡频率,对Ｌ／Ａ＝Ａ亚声速空腔流动的预估结果与实验符合很好,揭示了此类空腔流动振荡的机理。     

环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究

阐述了在环形扩压叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的实验研究成果。在测得各个工况下环形叶栅的分离旋涡频谱特性的基础上，采用施加声激励的实验手段，系统研究了扩压环形叶栅内流动与非定常扰动之间相互作用的机理，证实了一定条件下的非定常扰动能促使叶栅分离区的减小，从而降低总压损失，达到提高气动性能的目的。分别从激励频率和强度的角度出发，探索了影响激励效果的途径。     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

角区分离对声激励响应的初步研究

对一小展弦比扩压器内的分离流的声激励控制进行了实验研究, 并对此类声控的机理进行了初步探索。实验结果表明用外部声激励的方法可以控制小展弦比扩压器内的复杂分离流动;声控分离的效果依赖于激励强度和频率, 而对激励位置并不敏感。介于未分离区和分离区间之间的分离过渡区中的湍流脉动模式决定了所观察到的非定常湍流分离的基本结构。在激励声波的作用下, 角区旋涡被其调制加强, 使过渡区的湍流脉动模式发生了很大的变化, 加强了向分离区的能量输运, 推迟角区旋涡在扩压器内逆压递度作用下卷起, 因而削弱了大尺度的分离流动。