槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

槽道湍流在确定分布的展向电磁力调制下的壁面减阻机理

为了研究槽道湍流中确定分布的展向电磁力的流动控制与减阻问题,采用直接数值模拟的方法,对槽道湍流的确定分布展向电磁力控制后的流场中流向脉动速度、法向脉动速度以及雷诺应力分布的变化规律进行了研究。研究结果表明,槽道湍流流场存在大量分布紊乱的准流向涡和发夹涡结构,经过确定分布的展向电磁力调制之后,该流场的发夹涡结构基本消失,仅存在规律分布的准流向涡结构。控制后的流场相比于湍流流场,其流向脉动速度和法向脉动速度均受到了束缚作用,尤其是近壁区域更为明显。整个控制过程的实质是雷诺应力离散点向原点集中的过程,这个过程导致了流场雷诺应力和壁面阻力的下降。     

双压电振子异步振动主动调制湍流边界层流向涡减阻

以热线敏感丝为感受器、单片机(MCU)为控制器、双压电振子为动作器构成闭环控制回路,实现闭环主动控制湍流边界层相干结构减阻。采用安装在壁面上的展向布置的双压电振子异步振动方式,通过对压电振子输入3种不同振动频率,得到160 Hz工况实现最大减阻率为16.03%。压电振子振动使得湍动能更大程度地集中在能量峰值周围,改变了湍流边界层近壁区的含能结构,对相干结构产生调制作用。压电振子振动频率与相干结构特征频率越接近,减阻效果越好。闭环控制中控制压电振子所需要的电能节省开环的75%,实现与开环控制相近的减阻效果。施加控制加入条件检测的条件相位平均波形时间周期略变短,以压电振子壁面扰动方式调制近壁流向涡,减小壁面摩擦阻力,获得减阻效果。      

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

基于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究

在湍流状态下,利用计算流体力学(CFD)技术,对一系列布置不同尺寸顺流向脊状结构的表面进行了数值模拟。模拟过程采用Reynolds应力方程湍流模型,并且编制程序设定了充分发展的湍流入口边界。通过与光滑表面比较发现,脊状结构附近产生的流向涡是脊状表面减阻或者增阻的重要原因。流向涡改变了近壁面流场结构,引起了边界层近壁区雷诺应力和壁面剪应力的变化,脊状表面也因此出现了减阻或者增阻的现象。     

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.     

电磁力作用下槽道流速度响应的放大机理

在电解质溶液中,电磁场产生的电磁力可以控制流体的运动,从而达到很好的减阻、增升、减振等效果。但由于所施加的电磁力较大,导致控制效率很低,因此以较小的电磁力诱导出大的流动响应成为提高流动控制效率的关键。以层流槽道流动作为研究对象,在槽道的下壁面施加沿展向余弦分布的展向电磁力,推导了线性条件下流向响应速度的解析解,并通过直接数值模拟对非线性条件下的响应进行了计算。结合解析解和数值解,揭示了流场中速度响应的放大机制,讨论了电磁力和流场参数对响应放大效果的影响。结果表明:当振幅较小时,速度响应处于线性范围内,其放大倍数与Re~2成正比,随着渗透深度的增大,先迅速增大后缓慢减小;随着展向波数Kz的增大单调减小。随着振幅的增大,放大倍数进入非线性范围,其值逐渐减小,但速度响应值先增大后减小。在振幅处于10~(-3)～10~(-2)量级时,速度响应可达到的最大值超过0.2,此时的放大倍数在102量级。因此,利用流场的放大效应,是实现高效流动控制的重要环节。     

流-固耦合计算的应用研究

为了解决用常规算法求出的流体与固体对流换热系数的不真实性问题,采用了流固耦合计算方法计算固体壁面的温度.其中采用模型模拟湍流流动,用壁面函数法修正处于流场内部的固壁,通过固体和流体双向耦合换热计算,得出了整个流场、温度场包括(固体部分和流体部分)的分布.     

微吹气对湍流平板边界层流动特性的影响及其减阻机理

微吹气技术能够改变平板湍流流场结构,减小平板表面的摩擦阻力。采用直接数值模拟方法,计算了来流马赫数0.7条件下,流场流过光滑平板和NASA-PN2多孔平板表面两种情况,通过对比这两个算例的相关流场特征,验证了微吹气控制减阻的有效性,局部最大减阻率达到了45%,并且由于微吹气控制的"记忆"功能,减阻效果在微吹气流域下游仍会持续一段距离,增加了减阻区域的流向面积。壁湍流摩擦减阻的原因在于近壁区域出现了一个低速的"湍流斑",黏性底层厚度增加,速度型曲线被抬升。但与此同时,边界层内湍流速度脉动也得到了增强。进一步对流向脉动涡演化规律分析,发现微吹气对流向脉动涡发挥着多重作用。在增加流向脉动涡强度的同时,还使得流向涡团向远离壁面抬升,这样减小了流向涡与壁面之间直接作用。此外,微吹射流产生的冲击作用会在流向涡表面留下凹痕,使得流向涡分散成相对小的涡团结构。     

基于气体射流的气液两相流动减阻特性

为了明确射流表面减阻特性,基于气液两相流动原理,建立具有射流功能的气液两相流动减阻计算模型,采用数值计算方法,通过RNG k-ε湍流模型对射流表面不同射流方向角、以及不同气体射流速度情况下的流场进行数值模拟及实验验证,分析气体射流对壁面黏性阻力、减阻率及流场的影响,研究气体射流的气液两相的减阻特性。结果表明:气体射流表面能够减小壁面黏性阻力,具有较好的减阻效果;四种射流方向角下,射流表面减阻率均在气体射流速度为5m/s时达到极大值,并且当射流方向角在xoz平面为-30°时,减阻率最大,为7.18%;数值模拟的减阻率效果略高于实验结果;气体射流的气液两相流动对壁面边界层进行了有效控制,减小了壁面的黏性剪应力和雷诺应力,导致壁面的黏性阻力减小,使得射流表面具有减阻性能。     

90°圆截面弯管内三维紊流场实验研究

用CTA热线风速仪和五孔探针, 对一曲率直径比R_c/D=0.87, 直径D=280mm的90°圆截面弯管内部三维紊流流场进行了详细测量和分析。给出了不同雷诺数下弯管内不同截面上时均速度场、紊流动能、总压及静压沿曲率半径方向的分布。      

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术（PIV）,测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构。结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流。新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体＂微泵＂工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的＂定向输运＂,其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制。     

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     

小型斜流压气机流场特性及损失分析

采用数值模拟的方法研究了某小型斜流压气机内部三维流动,分别对设计转速和80%设计转速进行了数值模拟计算。分析了在两种转速下的特性曲线,研究了气流的流动状态,归纳总结了造成斜流压气机损失的主要原因。结果表明,在设计转速时达到的最高效率约为0.63,在80%转速下能达到的最高效率约为0.80;斜流压气机的损失在斜流叶轮上和轴向扩压器上均较为明显,且在第二级轴向扩压器上的损失最为严重。     

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

基于CFX的涡轮叶片流场及温度场的数值模拟

涡轮叶片作为航空发动机重要的热端部件,其工作情况直接影响到涡轮的机械效率.利用流体计算软件CFX研究了涡轮叶片工作时的流场及温度场,并进行了较为深入的分析,较真实地展现了叶片工作时的情况,为验证冷却方式的有效性及对涡轮叶片进行热-结构耦合计算奠定了基础.     

某小型发动机高压涡轮导向器环吹试验研究

介绍了某小型发动机高压涡轮导向器的环吹试验，初步研究了该导向器的特点。试验结果表明，试验的高压涡轮导向器流场周期性较好，导向器的性能达到了设计指标。     

小口径武器膛口流场可视化实验

开展发射条件明确的高分辨率膛口流场可视化实验,对深入揭示膛口流场的发展机理、改善武器性能、验证数值方法的可行性等方面具有重要的现实意义。分别在光膛口及安装不同膛口装置条件下,采用直接阴影法对小口径武器膛口流场进行了可视化实验,获得了大量清晰地高分辨率时序阴影照片。这些照片清楚地再现了各条件下的冲击波/激波、弱压缩波、接触间断、射流边界等在内的典型膛口流场特征。据此,详细讨论了不同条件下的流场结构及动力学发展过程。这些可为数值计算及相关武器研究提供直接的实验对照和参考。     

用一种非线性k-ε模型计算突扩台阶后的流动

对一种新的非线性k-ε模型的无量纲系数进行了重新拟合.用新的系数计算了槽道流动、方截面管流和等应变率,平均流场无旋流动的正应力分布.计算结果与实验资料符合很好.将该模型并入常规的k-ε模型的计算程序中,并对突扩台阶后的湍流流动进行了数值计算,同线性k-ε模型的计算结果和实验结果进行了比较.结果表明,这种非线性k-ε模型同线性模型相比有较大的改进,同已有的其它非线性模型相比,也有一定的优点.