壁面粗糙度湍流扩展模型及流动数值模拟

采用有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes流动控制方程,数值模拟表面粗糙度对气动特性和热力学特性的影响。通过修正Knopp的基于切应力输运k-ω湍流模型的粗糙度湍流扩展模型中边界条件ω的值,提高了壁面附近的涡黏度,增加了总壁面切应力,从而引入壁面粗糙度的影响。通过对不同粗糙度的平板流动和NACA 65_2215翼型绕流进行数值模拟,分析粗糙度对表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数的影响。计算结果表明:粗糙度使得平板表面摩阻系数和斯坦顿数增大,翼型流动分离提前,升力系数减小。流经粗糙壁面的流动处于过渡状态时,改进的粗糙度湍流扩展模型改善了原模型速度偏移量与经验公式相比偏小的缺点,同时,表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数与实验结果吻合得更好。该改进模型不需要对壁面附近网格进行加密,能够快速、准确地模拟流经粗糙壁面的流动。     

SRM两相内流场模型计算

火箭发动机内流场中的大量液态颗粒与喷管的壁面发生碰撞后会产生沉积和破碎,从而影响发动机的性能。针对此问题,采用颗粒与壁面碰撞破碎沉积模型和欧拉-拉格朗日两相流模型对某固体火箭发动机中不同尺寸的颗粒与喷管背壁区和收敛段碰撞破碎和沉积的基本情况进行了数值模拟,并与相关试验结果进行了对比。计算得到了流场中不同直径颗粒在考虑碰撞破碎后的分布情况和在壁面的沉积情况。计算结果说明,颗粒与壁面碰撞破碎后会大大增加流场尤其是喷管段中小颗粒的数目,颗粒的沉积主要集中在背壁区的下部,而大颗粒主要沉积在喷管收敛段。     

壁面约束下椭球颗粒曳力特性研究

颗粒两相流系统广泛存在于自然界和工程应用中,实际颗粒往往并非球形且受其附近壁面的影响。基于欧拉-拉格朗日方法的颗粒两相流数值模拟已成为非球形颗粒两相流系统设计的重要工具,然而其准确性受限于非球形颗粒曳力模型。因此,深入研究壁面约束下非球形颗粒曳力特性并发展近壁修正预测模型具有重要意义。本文采用直接数值模拟方法对有限雷诺数（0.5≤Re≤10）下,不同颗粒长轴取向与来流之间的夹角以及颗粒-壁面间距的单椭球颗粒曳力特性开展详细数值研究,分析比较不同工况下曳力系数的变化,探明雷诺数、攻角以及壁面间距对椭球颗粒曳力系数的影响规律,并评估现有自由流中椭球颗粒曳力关系式的适用性,最后发展了考虑近壁修正的椭球颗粒曳力预测模型,为优化非球形颗粒两相流数值模拟工具提供重要支撑。     

基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

基于离散元的粉末燃料输送弯管两相流特性研究

弯管是粉末燃料冲压发动机燃料输送系统的重要组成部分,为了研究弯管内气固两相流的流场结构、颗粒碰撞以及压力损失的变化规律,基于连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型,考虑颗粒的碰撞受力和弹塑性形变,对铝粉在弯管内的流动状况进行数值仿真。研究结果表明：CFD-DEM算法相对于传统的双流体模型和轨道法,能更为准确地描述颗粒流的碰撞信息和两相流的流动状况。弯管内的总压损失随流化气流量的增加,呈先减少再增加的趋势,在本文研究的条件下,优选的流化气流量为6g/s~7g/s(流化气速度为3.0m/s~3.5m/s);在低流速下,颗粒间的碰撞次数远大于颗粒-壁面间的碰撞,随着流速的增高,颗粒与外侧壁面间的碰撞次数迅速增高,并导致颗粒-壁面间的碰撞次数超过颗粒间的碰撞。弯管的弯径越大,弯管内的总压损失越大,但颗粒-颗粒、颗粒-壁面的碰撞次数均减少。     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

有间隙涡轮叶栅壁面流谱实验与数值模拟研究

对具有 3 .6 %相对叶顶间隙的涡轮叶栅进行了壁面流动显示和三维流场数值模拟 ,分析了大叶顶间隙涡轮叶栅的壁面流动特点 ,从数值模拟上特别对尾缘附近的壁面流动结构进行了详细讨论。实验与计算结果表明叶栅尾缘附近的流动是非常复杂的 ,同时由于叶顶间隙的存在 ,上下尾缘附近的壁面流谱明显不同     

考虑油滴变形和二次油滴效应的轴承腔壁面油膜流动分析

航空发动机轴承腔油气两相流动状态下的壁面油膜分布和流动速度直接影响其润滑和换热特性.考虑油滴变形和二次油滴沉积效应作用,通过油滴变形和运动、油滴/腔壁碰撞过程质量和动量转移以及二次油滴运动和沉积分析,获得油滴沉积过程的质量和动量转移;在此基础上利用根据力平衡原理和质量守恒原理建立的壁面油膜分布和流动的力学模型获得壁面油膜的厚度和速度分布.分析和探讨了油滴变形对油滴速度和运行轨迹的影响,变形和二次沉积效应对油滴质量和动量转移以及壁面油膜厚度和速度分布的影响.计算结果表明:考虑变形后油滴所受阻力增加,其运动速度减小,运行轨迹更加弯曲,一次质量转移增加,一次动量转移减小;二次油滴的数量很大,其沉积质量和动量转移是轴承腔中油滴质量和动量转移的主要部分;油滴变形和二次沉积效应作用下壁面油膜的厚度和流动速度都明显增大,润滑油加速排出.     

用双流体—轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧

目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。主采用双流体－轨道模型（颗粒相连续介质－轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU－Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散－动力模型等。热态模拟中，为了减小为信散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方程一致）。为了检验数值模拟，采用三维相位移普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。分别对冷态模炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的，热态模拟的结果给两相速度，气相温度、组分浓度及壁面热，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。     

翼型表面明冰的数值模拟

提出一种翼型表面明冰的数值模拟方法.基于欧拉两相流理论,建立空气、水滴两相流控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击;采用考虑了粗糙度影响的边界层积分法求解结冰表面的对流换热特性,基于经典Messinger模型提出明冰数值模拟的热力学模型;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,采用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA 0012翼型在不同环境温度下的明冰冰形进行了预测,并与实验结果进行了对比.      

平面叶栅内气-固两相流场的高速摄影

两相流中以球形阳离子交换树脂(平均直径d_p=600μm)为固体粒子,其在流场中运动轨迹基本上是直线。粒子末与壁面碰撞时粒子最终速度可达来流速度的40％～60％。碰撞后速度下降,碰撞后与碰撞前速度之比与入射角β_1有关。通过实验数据拟合得到U_(p2)/U_(p1)=1.0+0.166β_1-1.293β_1~2+0.689β_1~3-0.00329β_1~4。该式与他人结果有差别,说明模拟实验需进行相似理论分析,以选择适当的粒子。     

基于速度分布的纵向碰撞危险REICH模型初步研究

随着空中交通流量的快速增长,迫切需要缩小间隔标准,提高空域容量和减少航班延误。针对纵向间隔,为计算飞机间的纵向碰撞率提供了一种新方法。首先,研究了飞机速度分布情况,建立了纵向碰撞概率模型;然后,以概率论为工具,根据纵向碰撞概率和REICH模型,建立了纵向碰撞危险模型,推导出了计算纵向碰撞率的方法;并利用概率论中的3 s法则,分析了初始距离、纵向碰撞概率、飞行时间以及飞机速度均方差等对纵向碰撞率的影响;最后,通过仿真算例和分析讨论得出130 km的纵向间隔安全可行,可为确定航路飞行过程中飞机间纵向间隔提供参考。     

沙粒蠕移运动速度测量及其统计分析

对大气边界层风洞中沙粒蠕移运动进行了高速光学测量并获取了数字图像序列。经过非负图像减法、自动阈值法及双向粒子追踪算法的依次运算,提取了足量的有效蠕移运动轨迹。从轨迹信息中获取了蠕移速度并进行统计分析,结果表明了以起动方式划分的两种蠕移运动的比重特性及其随摩阻风速的变化规律：流体起动蠕移代表整个蠕移运动的稳定变化部分,而碰撞起动蠕移代表动态变化部分;随着摩阻风速增大,前者比重减小,后者比重增大;在摩阻风速超过临界值之后,蠕移运动的主导形式从流体起动转化为碰撞起动。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

使用超高速碰撞数值仿真技术,结合自主开发的碎片识别统计方法,以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例,进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析.通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法,从图形角度识别出碎片云中的大碎片,然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计,提取出了碎片数目...     

内外函混合加力燃烧室扩压器内液雾湍流两相流场和浓度场数值模拟

 本文用κ-ε湍流模型和液雾轨道模型,对二维内外函混合加力燃烧室扩压器内有蒸发的液雾两相流动和混合进行了数值预报。其中对气相速度场和温度场的计算结果与实验符合令人满意,液雾两相流的计算结果在趋势上也是合理的,表明本文的模拟方法可用于加力燃烧室性能估算及优化设计。     

固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响

固体火箭发动机中凝相粒子的空间非均匀分布不但会改变粒子的阻尼效果,还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响,从而显著改变发动机内的增益和阻尼。粒子的空间分布受发动机内部固有的声场压强振荡的影响,进而影响粒子对声振荡的阻尼效果。本文将连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型应用于固体火箭发动机中多物理场作用下的粒子行为研究,实现了声场对粒子行为的影响研究,获得了发动机两相流流动与声场的耦合作用规律。结果表明：CFD-DEM模型可以获得其他模型无法得到的颗粒微观信息包括颗粒与颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与气相间的相互作用等。另一方面径向声场力会使得凝聚相粒子往发动机燃烧室的中心区域汇聚,并且形成稳定宽度的粒子质量分数高达90%以上的聚焦带,而在壁面区域基本为粒子真空区域,粒子的空间不均匀分布极其显著。轴向声场力（发动机一阶基频声波）作用下颗粒分布在声场波节节点后可以观察到较高浓度粒子区减少,颗粒分布不似无声场作用那样密集,且颗粒相沿轴向的速度分布呈现先增大后减小的变化规律,在节点附近达到峰值。     

单激励超声椭圆振动车削薄壁筒实验研究

通过对普通夹心式超声椭圆振动换能器结构的研究,设计了一种能够在单一纵向激励的情况下产生椭圆振动的换能器结构,利用有限元分析工具对换能器的结构进行分析,并且利用光纤测振仪对单一纵向激励换能器进行了测量,验证了可以通过单向激励产生椭圆振动。利用这种结构研制了一套单激励超声椭圆振动车削系统,采用PCD刀具对LY12实心件和薄壁筒工件进行了精密切削实验,实验结果表明椭圆振动切削可以大幅度降低切削力,明显改善薄壁工件的形状精度,同时工件还具有较好的表面粗糙度。