基于MSFLE与Liutex的涡合并实验研究

应用具有拉格朗日性质的运动单帧长曝光(MSFLE)图像测量方法,对矩形管内湍流边界层涡结构合并现象开展了实验研究。研究了雷诺数Reθ在97到194之间管道湍流边界层流向-法向平面内涡合并现象。在实验中,测量系统以与涡运动速度相近的速度匀速移动,采用连续长曝光记录示踪粒子运动轨迹,以捕捉涡随时空的演变过程,骨架提取图像处理算法获得示踪粒子速度,并应用Liutex物理量表征涡的旋转强度。研究表明:MSFLE方法测量装置简单,对实验条件要求低,可从拉格朗日视角直观测量湍流边界层涡结构及周围流场的时空演变过程,MSFLE图像测量方法与Liutex涡识别算法结合可以很好地应用于湍流边界层涡结构的可视化与量化。矩形管内湍流边界层涡合并的条件是两个涡相邻、强度和尺寸基本相同且为同向旋转涡,合并中两个涡的强度呈反向变化,合并生成的新涡的强度和尺寸基本为初始合并时两个涡之和,且旋转方向与两个涡同向。     

关于旋涡定义的思考

针对旋涡定义这个长期未解决的难题,在分析历史上提出的几种思路的基础上,本文提出:定义旋涡的总目标,应当体现其管状运动形态,并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合;该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果,并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此,本文根据涡量场演化的已知规律,提出了旋涡的一个动力学定义,作为继续深化讨论的参考。同时提出,人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据,虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用,但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下,近十年来形成的涡量面理论,有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。     

双旁侧无隔道超声速进气道参数化设计及流动分析

针对双旁侧无隔道超声速进气道中S弯流道内部流向涡产生的大畸变问题，提出了参数化设计技术，并基于典型飞机前体设计进气道构型，利用Liutex涡识别技术分析S弯流道内部的流动机理，并探索提升进气道出口流场品质的设计技术。研究结果表明：Liutex涡识别理论在进气道流场中能够有效识别流向涡的大小和强度；为抑制流向涡的产生和发展，降低出口畸变，进气道入口处上唇口一侧流道应采用较小的曲率，下唇口一侧则需要增大曲率；S弯流道末端应增大扭曲程度以将流向涡推至进气道出口中间区域。本文研究可有效抑制无隔道超声速进气道出口畸变，为控制S弯流道内部流向涡结构探索新型设计方法。     

平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

采用高精度湍流直接数值模拟技术,对平板流动转捩过程中的涡系结构,尤其是Λ涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究.高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信息,以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(RANS)无法给出的精细涡结构信息.数值模拟在精确捕捉Λ涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时,发现了一些与传统认识所不同的现象:1)Λ涡并不是当地涡量集中的地方;2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域.这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战,并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究.     

湍流中涡的尺度分析

本文通过实验表明,用子波变换对实验数据分析得到的尺度,与Lumley建议的湍流中涡的尺度是一致的.因而,子波分析可以作为按涡的不同尺度分解湍流的一种有效的工具.     

一维钝体竖向拍振非线性涡激力识别

基于Scanlan经验非线性模型,推导一维钝体竖向涡激振动拍振响应.借鉴Wilkinson涡激力相关性函数,探讨节段模型拍振状态下气动参数、涡激力识别方法,分析相关性对涡激力识别的作用.以一大跨度桥梁主梁断面为例,识别气动参数及其非线性涡激力,结果表明在节段模型试验分析中考虑相关性作用后,可更准确地识别其非线性涡激力.     

大涡模拟研究钝体有旋流流场的拟序结构

对带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子模型,研究旋流数为0.45时旋流场的大尺度拟序结构。模拟结果表明:瞬时压强等值面显示的内外螺旋涡及进动涡核(PVC)均与平均速度场流线在空间上呈正交关系,表明两种涡结构均由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。Q准则等值面显示内外螺旋涡在下游20mm左右开始发生破碎。PVC发源于环形旋流与环形射流剪切层附近的下游区域。瞬时周向速度的功率谱密度(PSD)出现明显的特征峰,表明PVC影响附近的流体,使之出现进动特征。采用本征正交分解(POD)重构湍流脉动速度场,不同模态下功率谱密度结果表明前两个模态的大尺度结构具有进动特征,使用前两个模态的周向脉动速度等值面显示了PVC周围流体的大尺度涡旋结构。     

三角柱体对机翼根部马蹄涡的影响

在现有文献的基础上,采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE数值模拟算法,进一步探讨增加宽度比的三角柱体对于角区马蹄涡的影响。结果显示当三角柱体宽度在一定范围内增加时,马蹄涡的控制效果得到进一步提高。定义的涡强系数(基于涡心位置及马蹄涡的涡量)能很好地表征马蹄涡的强度。当三角柱体宽度与机翼厚度相同时,即宽度比为b/T=1(b为三角形宽度,T为机翼最大厚度)时涡强系数降到原来的27%。文中的三角柱体的高度仅为机翼厚度的1/20,和当地边界层的厚度相当。此种三角柱既能控制马蹄涡,又不会引起流场的整体剧烈变化。     

新Omega涡识别法在液体火箭发动机涡轮氧泵中的应用

离心泵中流动不稳定现象与流场中旋涡的形成及演化过程密切相关。为解决传统涡识别法在高速离心泵流场涡结构捕捉方面的缺陷,引入新Omega涡识别法,对液体火箭发动机涡轮氧泵流场中的涡结构进行了分析。确定了新Omega涡识别法在高速离心泵流场涡结构捕捉方面的优势,利用该方法对涡轮氧泵中离心轮与扩压器之间的动静干涉机理进行了阐释。结果表明:对于高速离心泵,传统Q准则以及λ2准则涡识别法错误地将壁面强剪切层识别为旋涡,而新Omega涡识别方法能够有效滤除流场中非旋转涡量部分,较好地捕捉流场中涡结构,可作为高速离心泵流场涡结构识别的首选方法。通过离心轮与扩压器动静干涉区域旋涡演化过程分析可知,涡轮氧泵离心轮与扩压器之间的动静干涉效应主要源自于扩压器叶片压力面上的周期性涡脱落现象。     

涡发生器控制平板边界层分离的大涡模拟

为了研究涡发生器(VGs)间距λ对控制边界层分离效果的影响,选取了4种涡发生器间距,λ/H(H为涡发生器高度)分别为5,7,9,11.采用大涡模拟(LES)方法对带逆压梯度的平板边界层分离流动及VGs控制分离流动进行了数值模拟.分析了有无VGs控制时,湍流场中大尺度相干结构及其演化规律,分别从旋涡间距、边界层内流体动能、压差损失等方面考察了VGs间距对控制流动分离效果的影响.研究结果表明当λ/H为5时,VGs间距过小抑制了旋涡的展向发展,λ/H为9,11时,VGs间距过大边界层内流体动能偏低,当间距λ/H为7时流动控制效果更优,此时计算域压差损失最小,相比较无VGs控制时,压差损失降低了30.95%.      

跨音速压气机中的涡结构与失速机理分析

将一种新的涡识别方法应用于压气机流场的分析.该方法采用应变率张量和旋转张量的第四不变量,具有在识别流场中涡的存在的同时,分析该处涡处于拉伸(生成)或松弛(溃灭)状态的能力.通过将该方法与传统的动压头和流线、速度矢量等分析方法的结合,本文对所研究的跨音速压气机的失速过程进行了分析和讨论.     

两个椭圆涡环的相互作用

本文从不可压缩的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，采用标准伪谱法直接数值模拟了周期性立方体内两个共轴椭圆形涡环的相互作用，雷诺数Ｒｅ／１０００，计算表明：涡环经 开跨接由上下对峙变成了前后对峙。我们发现在断开跨接的同时，高波数谱分量急产大，这表明流体内部有小尺度的结构产生，由此说明断开跨接与湍流的产生有一定联系。     

基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。     

基于表面压力信息的空间流向涡识别方法

旋涡与表面的相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中，旋涡影响飞行器表面的压力分布，引起其气动特性的改变。而表面压力分布同样反映飞行器绕流中复杂涡系的空间流动特征，结合迎角、侧滑角等来流参数，可以判断飞行器受力状态和运动趋势。以平面点涡和“镜像涡”理论为基础，建立基于表面展向压力分布曲线的空间涡识别方法。根据截面展向压力分布曲线是否存在因主涡诱导下洗气流产生的正压区，定义流向旋涡的近物面流动和远物面流动；根据二次涡相对于主涡的位置，定义压力分布曲线的“近二次涡侧”和“远二次涡侧”。利用展向压力分布曲线“远二次涡侧”的1/4峰值、峰值及其展向位置，识别流向旋涡空间位置特征和强度特征。搭建涡-面相互作用试验平台，比较空间流场测量结果和表面压力信息识别结果，验证该方法有效性。研究结果表明：通过表面压力分布曲线可以辨识流向旋涡的空间位置和强度特征，空间流场测量与基于表面压力信息的旋涡识别结果的关联性分析验证了该方法的有效性。为重构飞行器周围旋涡流动结构，以及实现飞行器气动力的预测奠定了重要的技术基础。     

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量，揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性，这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明，对于未破裂的边条涡，存在着两种非定常特性，其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡，则发现与未破裂的涡相比，截面上涡量分布的区域突然扩大很多，最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量，这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。     

旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

 建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型,用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系,考虑旋转效应的影响,并修正Vatistas涡量分布函数,得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环量分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型,并将其应用于自由尾迹分析方法中,分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外,讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响,分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。     

湍流参数对含管式减涡器盘腔流动特性影响

通过计算卷吸流量对传统湍流参数定义进行修正,并验证了修正后的湍流参数对气流流动的控制情况。结果表明:修正后的湍流参数在不同的管氏减涡器进出口位置和入口预旋下均对盘腔内的气流流场和总压系数取得了很好的控制效果。气流总压系数和实际旋流系数均同时受修正湍流参数和入口旋流系数控制。此外,随同转速下的湍流参数增加,气流保持其径向内流状态的能力增强,需要管氏减涡器抑制其周向旋转的区域减少,使得总压系数最小的最优管氏减涡器长度减短。      

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化（附着空化和泄漏涡空化）为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明：自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。     

基于小波分析的一种涡结构分析方法

为从PIV测量的速度场中获取更多的定量信息,如涡尺度和涡结构等,本文利用bior5.5双正交小波4层分解,重构后得到各层分解速度场,并求出对应分解速度场对应的涡量场和旋转强度场来分析流场中涡的旋转强度及结构。应用这种方法分析冲击射流流场,得到了流场中大涡和小涡的分布以及携带的能量等信息。     

预混燃烧大涡模拟和燃烧模型的检验

用代数二阶矩亚网格(ASOM-SGS)燃烧模型对文献中测量的钝体后方丙烷-空气预混燃烧进行了大涡模拟,模拟统计的时平均速度、速度脉动均方根值和温度分布与实验数据结果吻合很好,表明所采用的ASOM-SGS亚网格燃烧模型是合理的。模拟的瞬态结果显现了钝体后方湍流流动和火焰结构。将大涡模拟数据统计得到的反应率系数-浓度关联量的分布规律,与代数二阶矩RANS(ASOM-RANS)燃烧模型的模拟值进行对比,结果发现,大涡模拟统计值和ASOM-RANS模型的模拟值很接近,从而证明了湍流燃烧代数二阶矩RANS模型的合理性。