高精度数值方法与非线性扰动研究

通过数值模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算的精确性。本文还研究了波-波与涡-涡两种典型的非线性扰动模型,结果表明:在自由剪切层中,波-波模型能加快扰动的增长速度,并激发出了λ结构,但仍然经过了线性失稳阶段;在钝体头部的超声速边界层中,涡-涡模型通过涡-涡相互作用,产生“发卡”结构,进而出现湍流斑。在此过程中,没有线性失稳的迹象。     

钝体头部“逾越”型转捩的直接数值模拟

通过直接数值模拟,研究了钝体头部边界层“逾越”型转捩的问题。在计算上,利用高阶紧致差分格式和高分辨率的无反射边界条件,求解全N-S方程,并将局部有限幅值扰动直接引入到钝体头部的曲面边界层中。摈弃了目前国际上通常采用的周期边界条件,以及以平板代替曲面的做法。结果表明:流场转捩的发生与一种类似“发卡”状的拉伸结构出现有关,而国外的计算结果中并未发现这一结构。此外,流场的失稳过程和物理图像也存在较大差异。这说明国外目前的做法和结论是值得商榷的。同时,模拟的结果也说明,这种方法对研究大扰动转捩来说是一条行之有效的途径。      

局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的研究

在壁面上构建局部扰动,数值研究不同特征的局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的作用机理,进一步探讨壁面扰动的分布、类型、强度大小对三维扰动波在平板边界层流动中的非线性演化规律以及失稳机制的问题.确定什么样的局部扰动能使三维扰动波快速增长或者是什么样的局部扰动能对流动起抑制的作用,同时寻求在三维扰动波向下游发展过程中的传播方向会发生怎样的变化等.对该问题的深入研究,将使人们能深入理解认识平板边界层流动过程中的转捩发生、流动失稳及湍流形成的理论机制.     

小攻角高超声速钝锥边界层失稳特性

利用高阶紧致格式,采用直接数值模拟(DNS)和线性稳定性(LST)分析方法,对高超声速边界层的失稳机制和转捩特点进行了研究.通过对马赫数为6的2?攻角高超声速钝锥边界层的稳定性分析发现:小攻角高超声速钝锥边界层存在多枝不稳定模态;周向速度使钝锥的稳定性特征与不考虑周向速度时有本质的差别;转捩线在接近背风面处出现拐折现象是由失稳模态发生转换引起的.      

高超声速三维边界层横流转捩的数值研究

横流失稳是高超声速三维边界层转捩的主要机制。然而到目前为止,由横流失稳导致高超声速三维边界层转捩的数值研究还不多见。本文采用直接数值模拟方法计算了马赫数6、后掠角45°钝板边界层中定常横流涡的演化,在此基础上引入高频二次失稳模态,计算了二次失稳模态的非线性演化,直至湍流发生。计算结果表明:横流定常涡的非线性作用引起平均流修正,可使壁面摩擦系数曲线有一定程度的抬升。而高频二次失稳波的增长导致低频及定常扰动快速增长,促使壁面摩擦系数急剧抬升,同时饱和横流涡结构破碎,最终触发转捩发生。     

高超声速边界层基频二次失稳条纹结构的稳定性

近年来在高超声速边界层的直接数值模拟和静风洞实验研究中,相继发现了边界层转捩前出现的典型基频模态二次失稳现象,其主要成分为流向条纹结构.全文以高超声速平板边界层为研究对象,采用线性稳定性分析和二次稳定性分析的方法,对边界层内条纹结构的产生机制和无黏稳定性特征进行了研究.结果表明:首次失稳扰动幅值对二次失稳类型有影响.当首次失稳扰动幅值较大时,基频模态占主导,其主要成分为条纹结构,表现为流向涡.该条纹结构存在着多个无黏失稳模态,其中低频模态对应于第一模态在三维边界层内的扩展,高频模态对应于可压缩的第二模态.这一研究成果为进一步开展高超声速边界层转捩机制研究奠定了基础.     

钝体边界层失稳特性分析

推导了适合可压缩二维/轴对称边界层的线性抛物化稳定性方程。在法向采用4阶中心格式,流向采用1阶向后差分,对线性抛物化稳定性方程进行离散。通过来流马赫数为4.5的平板与曲面边界层稳定性问题验证了程序的正确性。讨论了来流马赫数6的球钝锥边界层内,扰动波沿端头向下游演化的失稳特性。发现了一种新的失稳机制。     

有压梯度边界层流中湍流斑形成的机制研究

人们虽然对层流向湍流转捩过程的研究已经付出了许多艰辛的努力,但仍然有一个重要的物理现象还没有弄清楚,即有压梯度边界层转捩过程中湍流斑形成的理论机制以及湍流斑的运动特征是什么?这些问题正有待于人们做进一步的深入探索.本文提出一种以壁面局部脉冲的初始小扰动场来模拟有压梯度边界层流中湍流斑形成的物理模型.采用直接数值模拟的方法研究有压梯度边界层流中湍流斑产生的理论机制和发展规律;数值结果显示,它们在好多方面与湍流斑的基本特征相符.     

Breakdown过程长度及其前后边界层名义厚度的变化

采用数值模拟的方法,模拟了平板边界层的转捩过程及发展的湍流,在此基础上,研究了不同初始扰动对转捩持续时间和湍流边界层厚度影响的共性和差异.研究结果表明:在不同的波数情况下,计算得到不同的初始扰动引起的转捩的持续时间不同.在给定基本波数情况下,如果初始扰动在展向不是对称的,那么,它们引起的转捩后平均边界层厚度与转捩起始点处边界层厚度的比值δ_e/δ_b在相当长的时间内表现出相同的增长规律,这一增长规律与所加的初始扰动无关.然而,展向是非对称的表现出不同增长规律.      

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.     

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.      

局部凸起对可压缩平板边界层稳定性的影响

在采用直接数值模拟(DNS)方法计算得到来流马赫数为4.5的带局部凸起的可压缩平板边界层基本流的基础上,基于线性稳定性理论(LST) 进行稳定性分析,通过求解扰动方程研究了不同频率的扰动波与不同高度的局部凸起的相互作用,定义了穿透系数来研究局部凸起对流动稳定性的影响.研究结果表明:当局部凸起高度小于0.2个边界层厚度时局部凸起对来流的影响是局部的;局部凸起使频率小于最不稳定波频率的扰动波更不稳定,对频率大于最不稳定波频率的扰动波有稳定作用,其中最不稳定波频率是指局部凸起中心位置处平板边界层中第2模态最不稳定波的频率;穿透系数定量刻画了局部凸起对稳定性的影响,高度为0.2个边界层厚度的局部凸起引起e-N方法中N值的修正量达到0.8,接近转捩位置处N值的10%,在转捩预测中必须考虑.      

局部抽吸对边界层流动稳定性的影响和控制研究

在边界层壁面上,设计局部抽吸结构,采用直接数值模拟的方法,获得稳定的三维基本流.在此基础上,研究稳定及最不稳定的二维扰动T-S波的时、空演化机制;进一步探讨了局部抽吸的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化影响及其对增长率的贡献大小.结果表明,局部抽吸结构诱导产生的三维基本流是扰动波得以快速增长的一个关键性因素,这是由于平均流剖面的改变及展向速度的出现,增强了流体运动中的不稳定性、扩大了中性曲线的不稳定区域范围.在最不稳定的二维扰动T-S波的非线性演化过程中,由于非线性作用的不断增强,逐渐激发产生出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;同时展向速度的大小对二维扰动波的增长、流动的失稳、流向涡的形成等方面都起着激励的作用.随着时、空的不断发展和非线性作用的迅速加强,正、负相间的流向涡逐渐形成,强度逐渐增大,流向涡的影响区域也在不断扩大,涡的形状逐渐拉伸变长,并出现强的剪切层,流动开始失稳等其它机制;这些结论与文献[4、5]的结果相吻合.     

气动阀门颤振的局部稳定与全局稳定特性

基于修正的库仑摩擦力模型,理论分析了气动阀门的非线性稳定特性,提出了阀门颤振的不稳定、局部稳定及全局稳定区域,定性解释了阀门在局部稳定区域颤振的必然性与偶然性;并针对某型号用保险阀,构建了基于AMESim的保险阀系统仿真模型,通过线性及非线性稳定性仿真分析,获得了该保险阀系统的局部稳定、全局稳定特性及库仑摩擦力对稳定性的影响特性,在此基础上,开展了不同摩擦力条件、扰动条件下的保险阀系统非线性稳定特性的试验研究,结果表明:对于非线性阀门系统,在局部稳定区域会存在小扰动稳定、大扰动不稳定的状态,从仿真角度解释了该保险阀系统在通气试验保持稳定而在通气振动试验中却发生明显颤振的现象;同时,库仑摩擦力增加可有效提升保险阀的系统稳定性及抗扰动能力,试验结果验证了保险阀非线性稳定性分析结果的有效性。      

周期性扰动对平板湍流边界层统计性质的影响

用IFA300热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了平板湍流边界层在施加不同频率的周期性吹吸扰动前后不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.在平板湍流边界层的固壁表面沿展向切割一条5 mm宽的窄缝, 在平板底部用扬声器从壁面向平板湍流边界层内施加不同频率的周期性吹吸扰动, 研究不同频率的周期性扰动在平板湍流边界层内发展演化的规律及对平板湍流边界层统计性质的影响.      

高超声速边界层转捩机理及应用的若干进展回顾

高超声速边界层转捩对飞行器的热传递、表面摩阻和流动分离等有重要影响,尤其是再入飞行器和吸气式巡航飞行器。然而,人们对边界层转捩机理中的很多问题认识还不清楚,或存在争议。本文从扰动波演化的角度回顾了高超声速边界层感受性、线性稳定性和非线性作用的国内若干研究进展,并以基于谐波共振的人工转捩技术为例示范了这些机理认识在转捩控制上的应用。扰动的产生和发展是认识边界层转捩机理的核心。通过研究扰动波来认识边界层转捩机理,开展应用创新研究对提升飞行器性能具有重要意义。     

近壁湍流边界层壁面局部扰动诱导形成相干结构的动力学模型

在壁面局部脉冲扰动作用下,采用直接数值模拟的方法,数值研究了湍流边界层近壁区两个相干结构形成的理论机制和非线性作用问题.然后,通过数值计算的手段,进一步探讨了近壁湍流边界层流中两个相干结构之间的非线性作用机理,分别确定它们在流向、展向方向上排列的不同结构类型分布的两个相干结构之间相互作用的效果有何区别以及它们之间间距的大小对相干结构的产生和发展有什么影响,从而可能合理地解释平面剪切湍流中低速条纹结构出现的原因.     

质量引射对边界层稳定性的影响

采用直接数值模拟（DNS）方法和线性稳定性理论(LST)研究了质量引射对马赫数为6的钝板边界层中第二模态扰动演化的影响。研究了质量引射及扰动的不同因素对扰动演化的影响,包括引射速度幅值、引射宽度、位置、组合以及体积流量。研究结果表明:质量引射对二维和三维扰动波都起不稳定作用,当引射位置接近扰动波中性曲线的下支界时,不稳定作用最明显;体积流量是决定质量引射对边界层作用的重要因素;当体积流量较小时,质量引射组合放置能起到单个质量引射叠加的效果;LST预测得到的N值修正与直接数值模拟的结果相近,可以定量地反映质量引射对边界层流动稳定性的影响。     

不可压平板边界层转捩机理

基于扰动形式N-S方程,从空间模式的角度,采用Fourier伪谱及MPI(massage passing interface)并行方法,模拟了不可压平板边界层从层流到湍流的转捩过程.通过对计算统计数据的分析,比较了不同幅值入口扰动引起的转捩过程的同异.研究结果表明:当层流中扰动幅值逐渐增大后,非线性作用将修正平均流剖面,表现为不稳定区域逐渐扩大,很多高次谐波被激发.当平均流剖面被修正到一定程度时,不稳定区域变得很大,这使得更多的高次谐波被快速激发并迅速增长,即转捩过程开始.由于大量谐波快速增长导致扰动能量快速增长,同时,扰动能量的快速增长又进一步加速了平均流剖面的快速修正,即平均流剖面的不稳定特性发生了改变,这样的相互作用使得层流快速变为湍流,因此,平均流剖面不稳定特性的改变在转捩过程中起到了关键作用.