不同密度材料颗粒对两相湍流调制的实验

 在颗粒雷诺数较小范围内,针对不同密度材料颗粒对气相湍流的调制规律进行了实验研究。采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测量了气粒两相圆湍射流中气相速度和湍流度的分布,比较了相同形状、相同粒径和体积分数近似相同时玻璃微珠和聚苯乙烯颗粒分别存在时的两相射流流动的气相速度和湍流度。实验发现:不同密度材料的颗粒对气相平均速度的调制作用差别不明显,但对气相湍流度的调制作用显著不同。在近场区域,密度大的玻璃微珠对气相湍流度的增强作用高于密度小的聚苯乙烯颗粒;在远场区域,气相湍流度被削弱,并且密度大的玻璃微珠的削弱作用强于密度小的聚苯乙烯颗粒。该研究为进一步提出合理的两相湍射流的控制方法提供了理论依据和指导。     

横向气流中非牛顿液体射流直接数值模拟

采用直接数值模拟研究了动量比为6的非牛顿液体射流在横向气流中的破碎特征,重点分析了表面波发展、弯曲特性和展向扩散等射流结构及其非牛顿特征。在非牛顿液体射流的近喷嘴位置,其表面迹线随时间摆动,并有逆横向气流方向运动的趋势。射流的展向扩散仅在喷入初期较为明显,此后基本维持在接近35°的扩散半角。射流的一次破碎,尤其是液丝与液滴、甚而卫星液滴的生成过程都被精细地捕捉和描述。在近喷嘴的射流柱附近,横向气流流动具有一定的圆柱扰流相似性,在其他区域则表现为极其复杂的紊流特征。射流的非牛顿特性主要体现在黏性系数,不同位置的液体黏性系数相差超过20%。相较牛顿液体射流,剪切稀化的非牛顿射流具有更易破碎的特征。     

两相圆湍射流颗粒弥散与速度相似性大涡模拟

气相采用大涡模拟方法、颗粒相采用拉格朗日轨道模型,对高雷诺数两相圆湍射流进行了数值模拟,研究了一种中等Stokes颗粒在大尺度涡结构中弥散特点以及两相速度统计特征.研究表明,颗粒弥散同时受流动涡结构和颗粒惯性决定,颗粒在涡结构的边缘或者涡与涡交织区域颗粒数密度高,形成倾向性分布.沿中心轴线两相平均速度衰减不同,颗粒相速度衰减慢于气相.射流近场两相速度沿径向变化显著,在射流远场两相平均速度都具有相似性,沿径向颗粒相平均速度衰减慢、分布平稳.      

Analysis of pressure characteristics under laminar and turbulent flow states inside the pilot stage of a deflection flapper servo-valve: Mathematical modeling with CFD study and experimental validation

Electro-hydraulic servo-valves are widely used components in the mechanical industry, aerospace and aerodynamic devices which precisely control the airplane or missile wings. Due to the small size and complex structure in the pilot stage of deflection flapper servo-valves, accurate mathematical models for the flow and pressure characteristics have always been very difficult to be built. In this paper, mathematical models for the pilot stage of deflection flapper servo-valve are investigated to overcome some gaps between the theoretical formulation and overall performance of the valve by considering different flow states. Here, a mathematical model of the velocity distribution at the flapper groove exit is established by using Schlichting velocity equations for in-compressible laminar fluid flow. Moreover, when the flow becomes turbulent, a mathematical model of pressure characteristics in the receiving ports is built on the basis of the assumption of the collision between the liquid and the jet as the impact of the jet on a moving block of fluid particles. To verify the analytical models for both laminar and turbulent flows, the pressure characteristics of the deflection flapper pilot stage are calculated and tested by using numerical simulation and experiment. Experimental verification of the theory is also presented. The computed numerical and analytical results show a good agreement with experimental data.     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

交叉射流特性的试验研究

本文研究了稳燃腔中交叉射流两相流动。使用三维激光粒子动态分析仪 (PDA)测量了正三角形截面副射流与主射流速度比为 2 .5时的交叉射流流动 ,获得了粒子湍流脉动强度及粒子在交叉射流尾迹中的浓度分布     

高度欠膨胀声速射流的自相似特性

构建了高压气体射流模型和高分辨率的计算网格，对喷压比（NPR）为5.60、流动雷诺数Re为105量级的高度欠膨胀射流进行了三维大涡模拟（LES）计算.讨论了时均的射流近场结构，发现大涡模拟成功捕捉到了高度欠膨胀射流近场的典型波系结构，并与文献结果吻合较好.研究着重定量考察流向速度和氮气质量分数的分布规律，以揭示高度欠膨胀射流的自相似特性.结果表明:在射流核心区之后，不同流向位置上流向速度和氮气质量分数沿径向的分布呈现出与亚声速射流类似的自相似特性.但射流流场开始呈现自相似的位置仍然为超声速，这是高度欠膨胀射流自相似特性的独有特征.提出了高斯拟合公式，在靠近和远离射流中心线的区域内均可较好地表征射流的自相似特性.此外，还考察了射流剪切层的发展特征，比较了计算得到的射流剪切层增长率与先前实验测量结果的差异，并分析了其中可能的原因.      

气-粒两相流对燃气舵工作性能的影响

为了研究气-粒两相流对固体火箭发动机燃气舵的影响,基于固体火箭发动机燃气舵的工作特点,在求解二维Navier-Stokes(N-S)方程的基础上,分别对有无颗粒相的流场进行了数值模拟,并且考虑了颗粒直径为1,10μm和30μm,颗粒质量分数为15%,20%和30%,舵偏角为0°,5°,10°及15°的各种组合工况.结果表明,在相同外界条件下,有颗粒相时舵表面的压力要大于无颗粒相时的表面压力,而且这种差别在迎风面和舵片前半部分表现得比较明显;在气动性能方面,有颗粒相时升力和阻力都要比无颗粒相时大,这种差别随颗粒直径的增大而减小,在一定颗粒质量分数范围内,随颗粒质量分数的增加而增大.      

欠膨胀超音速燃气自由射流的工程计算方法

针对欠膨胀燃气射流提出了一种工程计算方法。该方法用准一维完全等熵流计算起始膨胀段，用修正过的动量均化特性模型计算射流初始段，射流主段计算则利用流场的自模性来实现。该方法快速简便，结果能较好地近似欠膨胀火箭燃气射流的射流特性及参数分布。与动量均化特性模型相比，本文的方法在处理射流初始段上更趋合理。     

圆自由射流多尺度涡结构迁移特性的实验研究

在流场背景湍流度比较大或流场中涡结构的尺度范围比较宽的情况下，为了研究湍流场中不同尺度涡结构的迁移速度，用IFA300双通道恒温热线风速计和两个热线探针测量圆自由射流中心线上距离一定的空间两点同一时刻的流向速度分量，用子波分析提取了每一个探针输出的不同尺度的脉动速度信号，计算了两个探针输出的同一尺度脉动速度信号的互相关函数，利用互相关函数达到最大值对应的延迟时间研究了湍流多尺度涡结构的迁移特性。实验结果表明：不同尺度涡结构具有不同的迁移速度，小尺度涡的迁移速度较大，大尺度涡的迁移速度较小。其中，一部分尺度的涡结构是湍流中的主要结构，该尺度涡结构对湍流的贡献也是主要的，其迁移速度与实验测得的湍流平均速度较为接近。     

Isothermal study of effusion cooling flows using a large eddy simulation approach

An isothermal numerical study of effusion cooling flow is conducted using a large eddy simulation(LES) approach.Two main types of cooling are considered,namely tangential film cooling and oblique patch effusion cooling.To represent tangential film cooling,a simplified model of a plane turbulent wall jet along a flat plate in quiescent surrounding fluid is considered.In contrast to a classic turbulent boundary layer flow,the plane turbulent wall jet possesses an outer free shear flow region,an inner near wall region and an interaction region,characterised by substantial levels of turbulent shear stress transport.These shear stress characteristics hold significant implications for RANS modelling,implications that also apply to more complex tangential film cooling flows with non-zero free stream velocities.The LES technique used in the current study provides a satisfactory overall prediction of the plane turbulent wall jet flow,including the initial transition region,and the characteristic separation of the zero turbulent shear stress and zero shear strain locations.Oblique effusion patch cooling is modelled using a staggered array of 12 rows of effusion holes,drilled at 30° to the flat plate surface.The effusion holes connect two channels separated by the flat plate.Specifically,these comprise of a channel representing the combustion chamber flow and a cooling air supply channel.A difference in pressure between the two channels forces air from the cooling supply side,through the effusion holes,and into the combustion chamber side.Air from successive effusion rows coalesces to form an aerodynamic film between the combustion chamber main flow and the flat plate.In practical applications,this film is used to separate the hot combustion gases from the combustion chamber liner.The numerical model is shown to be capable of accurately predicting the injection,penetration,downstream decay,and coalescence of the effusion jets.In addition,the numerical model captures entrainment of the combustion chamber mainstream flow towards the wall by the presence of the effusion jets.Two contra-rotating vortices,with axes of rotation along the stream-wise direction,are predicted as a result of this entrainment.The presence and characteristics of these vortices are in good agreement with previous published research.      

淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术（LIF）和二维高速粒子图像测速技术（TR-PIV）对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法（POD）对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re ＝5600,淹没深度 H/D ＝4。LIF 实验结果表明：自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明：射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。     

斜出口合成射流激励器横流输运特性与边界层控制

研制了一种斜出口合成射流(BSJ)激励器,应用粒子图像测速(PIV)技术获得了合成射流的瞬态和时均流动结构,分析比较了斜出口和常规平直出口激励器流场的异同。该斜出口激励器能将周围气体进行有方向的能量和质量输送控制,时均流场呈现沿壁面的横向流动输运特性。解释了横向流动输运的形成机理,并应用该激励器进行了边界层控制实验。研究结果表明:通过改变激励器的工作电压和频率,可方便有效地实现对平板边界层速度型的调控,使受控边界层速度型更"饱满",这对控制推迟边界层分离非常有利。     

基于壁面射流理论的直通篦齿透气效应的修正

分析和归纳了几种直通篦齿泄漏量工程算法的特点,在自由射流理论Vermes算法的基础上考虑壁面效应即运用二维壁面射流理论推导了直通篦齿透气效应残余动能因子,并与Vermes算法和数值模拟计算结果进行了对比.结果表明:篦齿齿腔内的射流流动为典型的壁面射流扩散过程,主流流速分布具有自相似性;采用二维壁面射流理论计算得到残余动...     

带有横喷控制的导弹流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发，考虑两方程湍流模型，采用NND2M差分格式，对带有横向喷流的双锥旋称体高超声速绕流场进行数值模拟，计算结果与已有的试验数据进行对比，符合较好。在此基础上对带有横向喷流控制系统、型尾翼布局、高超声速飞行的导弹外流场进行数值模拟，研究了迎角、多个喷口、热喷流效应和湍流模型对气动力特性的影响；计算表明在无尾翼情况下有／喷流的气动力差别较小，喷流影响随迎角变化不敏感；对带有尾翼的气动布局，喷口位于背风区时喷流影响较小，喷口位于迎风面时气动力变化较大，压心明显前移；多喷口产生的附加推力和力矩不等于每个单喷口线性相加；湍流模型和热喷流效应引起流场结构改变，但是对总的气动力影响不大。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景，采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型，采用高精度WENO格式进行空间离散，并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致，来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构，并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析，揭示了流场结构特征及其时空演化规律，并获得了流场密度脉动特性。      

High Fidelity Simulation of Turbulent Jet and Identification of Acoustic Sources

A turbulent round jet at the Reynolds number of 7,290 is simulated by direct numerical simulation to study jet noise source and its propagation. A large domain of 60 diameters in the axial direction, 30 diameters in the radial direction, and full 360 degrees is chosen to minimize the effect of boundary conditions. The spatial statistics of the simulated flow and the peak amplitude of acoustic radiation at 45 degree angle agree well with existing literature, confirming the quality of the data. Motivated by Ffowcs Williams and Hawkings equation, acoustic source terms for the far field sound propagation were identified both in the time and the frequency domains. The spectra at three respective locations of the potential core, the shear layer, and the ambient indicate that the fluctuation magnitudes are highest in the shear layer, followed by the potential core and the ambient. The turbulent characteristics are isotropic in the potential core and the shear layer, and the ambient exhibits an intermittent behavior.     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

偏流板回流对舰载机进气道温升影响分析

为了探究舰载机起飞时发动机尾喷流撞击偏流板( Jet Blast Deflector,JBD)后反射回流对进气道温升的影响,以模型机和喷气偏流板为研究对象,通过求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯方程和Menter SST湍流模型方程,对舰载机准备起飞时的飞机内、外流场进行了数值模拟。利用线积分卷积方法对流场进行了可视化显示,分别研究了JBD不同倾角以及不同环境风速情况下,喷流回流对进气道温升的影响。计算结果表明：环境风速保持不变,在JBD倾角由30°逐步增大到60°的过程中,进气道出口截面面平均温升(ΔTav )总体呈增大趋势,当倾角由45°变为50°,进气道出口截面面平均温升陡增;对于特定的JBD倾角,在环境风速逐步增大过程中,存在一个临界风速,当风速小于临界风速时,进气道出口截面ΔTav随风速增加而增大。当风速大于临界风速时,进气道出口截面ΔTav随风速增加而显著降低。计算结果对于偏流板布局选择具有一定的指导意义。