稳态自热型对流换热系数传感器研究

为解决旋转固体表面对流换热系数测试难题,设计并研发了一款基于稳态方法的自热型对流换热系数传感器。进行了管道标定实验,分别与经典经验公式以及自制的标定端进行了对比,结果发现传感器的测试存在一个稳定的比例系数,经修正后相对误差小于5%。采用数值模拟方法进一步从机理方面探究了该比例系数存在的合理性,发现在阶跃加热的情况下存在一个"热调整区",会导致对流换热的阶跃性变化,这种变化类似于"入口效应",同时这种效应不受加热段温度的影响,定性地验证了传感器测量的准确性。     

消除粘性项高阶离散数值振荡的半结点-结点交错方法

通常的粘性项处理方法是连续两次采用结点型中心差分格式求得.但是,通过两次采用高阶结点型中心格式求得的粘性项易在流场中的"间断"附近产生数值振荡.本文采用多种格式,通过求解一维Burgers方程来充分展示了这种振荡现象.为了消除这种数值振荡,一种半结点型的高阶紧致格式被用来求解粘性项.Fourier频谱分析表明,这种格式具有非常优越的保频谱性能.一维和二维的数值计算结果表明,通过"半结点-结点"交错采用这种半结点型格式的方法可以非常有效地避免粘性项高阶离散可能导致的数值振荡.     

气液两相流混合模型代数重构方法

为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率，增强多介质流体界面问题的模拟能力，基于代数重构方法，应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构，实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合，抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象，保持界面清晰尖锐；引入预处理技术，解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题，提高收敛速度；应用双时间进行非定常时间推进。最后，采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证，数值结果显示，耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时，获得了更高的自由界面分辨率，以及更丰富的多相流动细节。     

一般状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型和高精度多介质Piecewise Parabolic Method(PPM)算法模拟一般形式Mie-Grüneisen状态方程的复杂多流体可压缩流动.根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式,采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题,利用Strang分裂方法将一维算法直接推广到高维情况,不需要动能校正.二维多流体接触间断平移问题的模拟结果表明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡,界面数值耗散很小,被控制在两到三个网格之内.本文还模拟了二维Riemann问题和激波同多流体交界面的相互作用,算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题,且具有耗散小精度高的特点.     

管内流体振荡强化换热的机理探讨

解析解、数值计算以及实验研究均得到一个一致的结论:管内流体的振荡可以大大地强化其轴向传热。本文说明,这种强化换热的根本原因是由于流体的振荡引起了导热面积和温度梯度骤增的结果。     

两层液体Bénard-Marangoni对流的界面张力效应

采用PIV技术对两层流体Benard—Marangoni对流进行了实验研究,得到了不同厚度比下的速度场,分析了界面张力在各种对流模式中的作用。和Rayleig—Benard对流的三种临界对流模式相比,由于界面张力对上下层浮力对流的不同作用效果,使得更复杂的临界对流模式在Benard—Marangoni对流体系中出现;在实验中首次观测到三层涡胞结构等现象。     

小型双基固体推进剂火箭发动机点火特性研究

固体推进剂的点火理论已有很多综述和评论。实际固体推进剂火箭发动机中的点火是一个包含多种因素影响的复杂过程,如对推进剂表面的加热经常是对流、辐射、热扩散、热粒子效应以及推进剂表面反应放热的返归等的综合;影响推进剂表面着火的原因也不单单是由于加热速率的大小,而环绕推进剂的介质成分、压力以及点火介质中的烟雾、推进剂的爆发温度、初温、表面状态等因素,也起着一定程度的作用。     

幂律型流体雾化SPH方法数值分析

幂律型流体的雾化过程存在复杂的界面运动,用传统网格法很难精确追踪运动界面.为研究幂律型流体的雾化特性,运用SPH方法对典型的双股幂律型流体撞击雾化问题进行三维数值分析.根据文献实验,采用SPH方法模拟获得与实验条件相应的数值结果,对比后表明,二者雾化角相当吻合,数值结果还成功捕捉到液膜向液丝的破碎过程及网状的液丝分布状态,验证了方法的有效性.分析了射流速度和撞击角度对雾化角的影响,得到雾化角随着射流速度和撞击角度的增加而增大;对雾化后的速度场进行数值分析后表明,撞击点附近,惯性力的作用使速度场变化剧烈;在流体远离撞击点的过程中,粘性耗散作用使速度场趋于稳定,但速度大小小于初始撞击速度.     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明:高转速条件下(500r/min以上),浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用，对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究，分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律，提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明：高转速条件下（500r/min以上），浮升力主要由离心力产生且处于强化区，增强对流换热；流动加速主要由压降产生，削弱对流换热；浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大，共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍，约为静止的2～4倍。     

粘性流体对流换热问题用直角坐标网格的解法

研究了非结构化直角坐标网格全贴体求解粘性不可压流体自然对流换热问题。该方法在于利用直角坐标网格但通过在边界附近保留不规则控制体,使得算法是完全贴体的。利用此数值方法对二维倾斜空腔内的自然对流及上固体边界移动时的对流换热问题进行计算,并与STAR-CD的计算结果进行比较。对比结果表明,该方法计算的结果与STAR-CD的结果很接近,可以满足一定精度要求。      

微重力下离心式锥形两相洗衣机流场的数值模拟研究

针对空间站长期在轨作业时为航天员提供干净衣物的需求,提出了一种适用于微重力环境的离心式锥形两相洗衣机方案。利用FLOW-3D流体力学软件基于VOF方法对微重力环境下该洗衣机方案静态流场分布、洗涤筒/波轮旋转时的动态界面形貌、波轮和洗涤筒对流场力的作用等关键的微重力流体管理问题开展了数值分析,结果表明:洗涤筒的交替转动使流场产生翻转效应,波轮与洗涤筒同向交替运动对流场产生更大的作用力;在气压平衡口安装一种防爬的楔形结构,洗涤过程采用波轮和洗涤筒同向交替转动、脱水过程洗涤筒单向旋转,洗涤效果更好。     

动失速型非定常分离流的主动控制

本文对动失速型非定常分离流的主动控制方法在低速风洞中进行了实验研究。在二元平板模型中部安装一作振荡运动的主扰流板产生动失速型非定常分离流；在其上游的模型表现上安装另一控制用的振荡小扰流板，应用非定常流的相平均测压技术，研究前置小扰流板的控制效果。实验结果表明，通过控制两扰流板之间的运动相位差，可以显著影响并改变动失速型分离涡的强度和对流时间特性。在有利的控制相位下，涡的负压峰值最大可降低４８％，涡     

环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

二维振荡机翼含激波跨声速非定常绕流广义变分原理的普遍形式及其派生族

本文建立了二维机翼作任意周期振荡时的非定常绕流的广义变分原理的更普遍形式及其派生族。文中充分发挥了“变域变分”与“自然界面条件”的有力作用,把振荡激波和尾涡面上的间断条件(例如Rankine-Hugoniot条件)也转化为自然界面条件,并兼顾了翼面的喷(吸)气作用。本文主要是为引进有限元等变分解法提供一个更普遍、更完善的理论基础,并可推广到三维机翼、二维及三维旋转叶栅上去。     

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     

DCS5在计算气动声学中的应用研究

对流项采用五阶线性耗散紧致格式(DCS5)离散,粘性项采用6阶中心紧致格式离散,时间项采用5级5阶龙格-库塔时间推进格式求解流体动力学方程组,并由此建立近声场的直接模拟方法。为了应用结构网格在复杂几何形状条件下对流场进行计算,发展了高精度的多块特征对接边界技术。完成了低速无粘振荡圆柱和粘性圆柱绕流等标准计算声学算例,获得了令人满意的结果。     

反射激波作用下重气柱界面演化的PIV研究

在水平激波管中采用PIV方法研究了反射激波作用下SF6重气柱界面的发展演化。采用射流方法形成SF6无膜气柱界面,并以乙二醇作为示踪粒子。利用连续激光片光源结合高速摄影相机对流场进行显示,得到了反射激波作用下SF6气柱界面的发展过程。结果表明,入射激波的冲击会在界面上产生反向旋转的涡环结构,而反射激波的作用会在界面上产生与初始涡环旋转方向相反的次级涡环结构。此外,对反射激波作用后的流场图像进行PIV后处理,获得了流场连续的速度场和涡量场。获得的环量与已有的理论模型进行比较,取得了较好的一致性,也验证了本文实验方法的可行性。     

温度场对转子系统响应特性影响的分析

建立了一个轴向可自由伸缩的单转子系统计算模型,采用有限元法分析了温度场对单转子系统响应特性的影响。参考发动机转子系统的加热对流的边界条件,利用 ANSYS 软件构造了该转子系统的瞬态温度场。分别在常温状态下和考虑温度场情况下,计算了转子系统的不平衡响应并进行了对比分析。结果表明,随着温度的升高,第三阶共振频率的相对误差最大达到11.2％。     

旋转衍生力在旋转受限层板中的分布规律

采用数值模拟的方法,研究了旋转衍生力在旋转受限层板中的分布规律.研究表明:由于冷却流体被加热,离心力随着旋转半径的增加而降低,近壁面处离心力较低,远离壁面区域离心力较高.y方向哥氏力在进出口区域影响较大,中间区域可以忽略.z方向哥氏力在进出口区域影响较大,中间段随转速和旋转半径的增加而缓慢增加.离心力衍生的浮升力在冲击区域附近加速流体流动,在其他区域的近壁面处,离心力衍生的浮升力阻碍流体流动,在远离壁面区域,离心力衍生的浮升力加速流体流动.在中间段,离心力和离心力衍生的浮升力起主导作用.