基于剪切敏感液晶涂层的壁面摩擦力矢量场全局测量方法

针对壁面摩擦力测量问题,建立了一种基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术的平板表面摩擦力矢量场全局测量方法。该方法利用SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化特性(不同方向显示不同颜色)并结合其颜色变化与摩擦力大小之间的校准关系解算摩擦力矢量的方向和大小,能够测量整个待测区域的摩擦力矢量分布。应用所述方法测量了平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场。试验结果表明,该方法不仅能够高分辨率测量出平板表面凸起物绕流的摩擦力矢量场,而且能够研究凸起物的尾迹区随着流动速度增加的发展过程。     

一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法

提出了一种具有鲁棒性的间断界面浸入边界法，用来模拟不可压湍流的物体绕流问题。开发了一种新的OpenFOAM求解器，该求解器结合了压力隐式分裂算法和k-ωSST湍流模型求解Navier-Stokes方程。为了减少对近壁面网格的要求，在实施边界条件时，采用壁面模型计算得到的壁面剪切力将速度和湍流变量修正联系起来。壁面切应力采用远离壁面的镜像点求得，镜像点上流场变量通过反距离线性插值由周围流场信息得到。使用该求解器模拟了平板绕流、NACA0012表面压强和切应力分布、Buice扩散管、圆柱绕流、方柱绕流5个湍流流动问题，本文数值模拟结果与文献结果有较好的一致性，验证了该方法模拟湍流流动的有效性和准确性。     

圆柱-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响。对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构。利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响。油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄。平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱。     

三维荧光油流技术的试验研究

荧光油流摩擦力场测量技术可以得到模型表面的全局摩擦力信息。该技术基于传统荧光油流技术发展而来,运用荧光油流技术作为原始数据获取手段,对试验图像运用HS光学流动算法进行图像处理得到模型表面油膜厚度随时间轴的变化量,依据动量定理对油膜厚度变化量进行计算得到当地的相对摩擦力信息实现表面摩擦力的可视化测量。本文运用该技术在低速风洞中对平板模型、75°平板三角翼、平板-翼型角区三维模型的表面摩擦力场分布情况进行测量,得到各模型表面的相对摩擦力分布和摩擦力线,并与平板模型Blasius层流解和三角翼模型经典流场结构进行对比。试验结果表明:在低速环境下该测量技术可以应用于模型表面摩擦力的可视化测量,所得摩擦力分布及表面流动情况基本可靠。     

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。     

圆柱振荡绕流对淤泥床的冲蚀

本文实验研究不同圆柱直径和不同初始圆柱与床面距离时圆柱振荡绕流对其下方淤泥介质床面的冲蚀作用.实验得到了在产生冲蚀的临界条件下圆柱与床面初始无量纲距离随振荡流Kc数的变化规律.由于不同的无量纲间距下圆柱振荡绕流分离流动的旋涡运动类型的不同,形成了冲蚀床表面的不同类型的表面冲蚀图象.     

绕钝体分离流动的非定常数值模拟研究

利用非定常RNGk-ε模型对三种典型的钝体绕流问题进行了研究,这三种流动分别为:方柱绕流、圆柱绕流和绕立方柱流动。研究表明了采用非定常雷诺平均方法可以研究钝体绕流的非定常流动,但所获得的结果各不相同。对于分离角固定的方柱绕流和绕立方柱流动,数值模拟结果和实验以及大涡模拟结果吻合较好,对于分离角不固定的圆柱绕流,随着雷诺数的增加,数值模拟结果和实验结果相差越大,分析认为这是由于壁面模型无法准确预测流动中不固定的分离角所致。改进了绕立方柱流动的模拟方法,采用非定常模拟方法后获得的结果要比定常模拟方法得到的结果有了根本改善。     

圆柱绕流涡系演变的DPIV测试

利用数字式PIV技术在阵风环境风洞中对Re＝500时的圆柱绕流进行测量，给出了圆柱后2．2倍直径、圆柱两侧各一倍直径的区域内一系列瞬态的速度矢量场、涡量场和流线图。根据可视化图像和量化结果，着重分析了该区域的涡系结构和一个拟周期内旋涡的发展演化过程。     

非结构网格催化壁面的隐式处理方法

为了解决格点型非结构有限体积法隐式处理完全催化壁面时边界上出现非物理解的情况,提出了壁面边界隐式矩阵"松弛"处理方法,使得格点型非结构有限体积法可以用于高超声速非平衡条件下气动热的预测。提出了考虑等温壁面和辐射平衡壁面下,处理完全催化壁面的"松弛"方法,并给出了边界控制体上隐式矩阵的具体形式。针对高超声速化学非平衡流动,使用非结构网格对典型的圆柱绕流以及球头绕流问题进行模拟,并与结构网格计算结果进行比较分析。验证了所提出的强制边界条件的"松弛"格式可以正确模拟完全催化壁面边界条件。在此基础上,针对不同质量分数配比的自由来流进行计算,分析壁面处组元的质量分数以及热流,计算结果显示即使在自由来流中两个组元质量分数各占50%的情况下,被"松弛"的组元质量方程的残差仍然能够到10~(-8)量级,壁面上热流计算正确并且组元质量分数与自由来流保持一致。这表明本文方法在自由来流中质量分数最大组元不占优的情况下仍然有效。     

谱单元法及其在多圆柱绕流分析中的应用

系统阐明谱单元方法,基于谱单元方法对低雷诺数Re=200时不同间距下的顺排两圆柱和Re=150正方形排列的四圆柱绕流及其阻力系数、升力系数等进行数值模拟。研究比较不同间距比L/D(两圆柱圆心距离与圆柱直径之比)对两圆柱和四圆柱绕流的影响,计算分析了涡量图分布、平均阻力系数和斯托罗哈数随间距比的变化。研究表明,间距比对顺排两圆柱和正方形四圆柱绕流影响显著;顺排两圆柱绕流存在临界间距比,在Re=200时临界间距比约为3.6。正方形排列四圆柱存在三种流态。当流场从一种流动形态变成另外一种流动形态时,力学参数发生显著变化,在某些间距比区间内出现骤升或骤降现象。     

A learning-based approach for solving shear stress vector distribution from shear-sensitive liquid crystal coating images

A learning-based approach for solving wall shear stresses from Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating(SSLCC) color images is presented in this paper. The approach is able to learn and establish the mapping relationship between the SSLCC color-change responses in different observation directions and the shear stress vectors, and then uses the mapping relationship to solve wall shear stress vectors from SSLCC color images. Experimental results show that the proposed approach can solve wall shear s...     

细长体大攻角绕流的数值模拟

用数值模拟方法研究了细长体大攻角的绕流特性（求解在周向３６０°范围内进行）。数值模拟的出发方程是三维可压流的全Ｎ－Ｓ方程,格式为二阶迎风ＴＶＤ格式。通过数值模拟研究了附近,攻角１９°、３２．５°和５０°状态下,细长体绕流场中的激波、分离流动及表面压力分布等重要特征。     

采用DMD方法研究叶栅不同攻角的拟序结构

为分析平面叶栅分离流非定常拟序流动特征,对三个不同攻角下的叶栅进行了单通道的大涡模拟仿真,并采用动力模态分解（DMD）三个工况的流场结构进行了分析。DMD方法对包含复杂时空信息的叶栅分离流流场进行了解耦,剥离出了反映流场主要动力信息的模态,获得了其频率和与之对应的空间结构。并且通过DMD方法,将原本需要研究大量不同时刻的流场,转移到仅需要对少量模态的研究即可,实现了保留主要动力特征的低维近似。通过DMD分析表明:气流经过叶片前缘产生流动分离,形成不稳定的剪切涡结构,它和尾迹区脱落涡相互耦合,并形成新的拟序结构。随着攻角的增大,前缘剪切涡及其与尾迹涡的耦合也同时增强,流场变得更加复杂。      

局部规则涂层对气冷叶片测温影响的数值研究

为研究微细热电偶测温安装涂层对其测量精度的影响机理,基于气固耦合传热(CHT)方法,建立了接近真实气膜冷却叶片的三维模型,选择SST(shear stress transport) γ -θ湍流模型,对未喷涂氧化铝涂层与在叶片吸力面前缘、压力面前缘、压力面尾缘处喷涂氧化铝涂层后的气冷叶片表面温度进行数值研究。无涂层工况的数值计算结果与实验结果误差控制在5%以下,验证了数值方法的有效性。研究结果表明:涂层对近壁面燃气的流动特性产生显著影响;三种有涂层工况的数值计算结果表明,压力面前缘处比吸力面前缘处温差波幅小,且比压力面尾缘处测温误差降低35.5%;在压力面及吸力面前缘处,最佳测温区域为涂层中部至下端之间的部位,而在压力面尾缘处,最佳测温区域尽量选择靠近涂层上端部位。      

测点布局对航空发动机总压畸变指数的影响

为了阐明测点布局对航空发动机进气总压畸变测试结果的影响，利用旋转总压测量耙对5种畸变流场的稳态和动态总 压畸变成分进行了测试，计算了旋转总压测量耙位于不同位置时畸变流场的稳态周向总压畸变指数和动态总压畸变指数，分析了 不同测点布局下总压畸变指数计算结果的偏差。结果表明：测量耙/测点与畸变流场的相对周向位置对总压畸变指数计算结果的 准确性至关重要，对于所分析的5种畸变流场，增加测量耙/测点周向数目并不能使总压畸变指数计算结果的偏差单调减小，但可 降低其对测量耙/测点周向位置的敏感度。基于畸变区域周向分布设计稳态总压畸变测量耙的周向位置，组合使用不同相对半径 处测点对动态总压畸变进行监测，可提高总压畸变指数计算结果的准确性。     

基于非线性耦合本构关系的改进边界条件

非线性耦合本构关系（NCCR）模型是在Eu的广义流体动力学方程（GHE）基础上,通过绝热假设、Eu封闭和Myong简化推导出的关于非守恒量（黏性应力与热流）的非线性代数方程,有效拓展了线性的纳维-斯托克斯-傅里叶（NSF）本构模型在非平衡流动中的模拟能力,为快速准确模拟连续与稀薄耦合流动问题提供了强有力的理论工具。针对该模型开展滑移边界条件研究,结合努森层内物理量非线性分布的特点,提出一套在物面处与模型精度相一致的非线性修正滑移边界条件。在有限体积框架下,采用AUSMPW⁺格式和LU-SGS方法以及NCCR的完整耦合求解算法,对不同稀薄程度的高超声速单原子氩气圆柱绕流和平板绕流问题进行数值模拟。研究结果表明,基于NCCR模型的修正边界条件准确刻画出物面努森层内流动的非线性特点,有效提高了固壁滑移边界的精度。采用非线性修正边界的NCCR模型准确预测了连续流、滑移流和过渡流域的物面压力、摩阻与热流系数。     

离心叶轮内三维湍流流场的LDV测量

应用激光多普勒测速仪和旋转编码器实现了对后弯闭式离心叶轮内三维湍流流场的测量。较详细地描述了设计工况下回转流面上主流速度的分布特点 ;绘出了径向流面上速度矢量分布图 ,结果表明在旋转流场中 ,流体粘性对气流方向具有不可忽视的作用 ;实验测量还得到了在曲率和旋转因素的综合作用下 ,流道中部和出口处产生的由强到弱的二次流涡 ,涡面垂直于主流方向     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

Evolution of wall flow structure and measurement of shear stress issuing from supersonic jet with extended shelf

This paper reports an experimental study on the supersonic jet surface flow structure visualization and shear stress field measurement issuing from a rectangular nozzle with extended shelf. The evolution of the near-field surface flow structures with an increased Nozzle Pressure Ratio (NPR) is successfully captured by the surface oil flow, infrared detection technology, and the Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating (SSLCC) technique. Results reveal that under smaller NPR, the wall flow structure is similar to that of a jet without the extended shelf i.e., clean jets, and this is caused by insufficient effect on the boundary layer. However, at higher amplitudes of NPR, there exists a significant effect of the boundary layer, as a near triangular separation forms on the trailing edge of the Mach stem due to the adverse pressure gradient, which is visualized for the very first time in this paper. Furthermore, the vector field of shear stress is measured quantitatively by SSLCC technique. Results shows that the magnitude of shear stress heightened with NPR increasing, and the directions of shear stress changes across the shock wave and expansion fans. In addition, surface streamlines measured by SSLCC is significantly consistent with the streamlines visualized using the oil flow technique.