三维分离模式与开式分离研究

 <正> 1.问题的提出 对三维分离的研究仅仅是近三十年的事,曾先后提出过多种分离模式。目前,为大家所应用的有两种模式。一种以Maskell为代表,他们认为分离线是其两侧极限流线的包络,通常称为包络模式。另一种以Lighthill为代表,他们认为分离线开始于鞍型奇点,结束于分离结点,分离线本身是一条流线,同时也是附近其它极限流线的渐近     

三维定常分离流和涡运动的定性分析研究

本文由两部分组成。第一部分研究和分析了物体表面上的分离形态,指出若分离线从奇点始,该奇点为鞍点;若在奇点终,该奇点为结点。若分离线上有很多奇点,其鞍点和结点是交替分布的。分离线的起始,可能有三种形态:一种称之为闭式分离的鞍点起始;一种为正常点起始;一种为鞍、结点组合形态起始。可以把正常点起始和距离很近的鞍、结点组合形态起始称之为开式分离。在一定条件下,闭式分离的形态,先转变为鞍、结点组合的形态,然后过渡到正常点的开式分离。第二部分研究了旋涡沿其轴线发展过程中,其横截面流线形态的发展,指出旋涡轴线上物理量λ=(1/ρ)(ρw/z)是决定流线形态的重要参量。如果λ>0,截面流线在涡心附近是稳定的螺旋点形态。如果λ<0,为不稳定的螺旋点形态,如果λ=0,流线形态是中心型的,当沿涡轴λ由正变负或由负变正时,相应在涡心附近截面流线由稳定螺旋点形态变为不稳定螺旋点形态,或由不稳定螺旋点形态变为稳定螺旋点形态;并且从λ由正到负的变号点起,截面流线产生稳定的极限环,或从λ由负到正的变号点起,产生不稳定的极限环。旋涡破裂只能发生在截面流线为不稳定螺旋点形态的区域中,在通过涡轴的纵向平面内,破裂点处的流线形态是鞍型的。破裂涡的合拢点处在不稳定的极限环区域内。     

三维定常粘性流动的分离条件及分离线附近流动的性状

本文给出了三维定常粘性流动的分离条件,考查了分离线附近流动的性状,指出对NS方程所描述的实际流动,分离线为壁面极限流线的“收拢渐近线”,且本身也为极限流线。文中研究了分离线的起始和终结,指出开式和闭式起始的分离线除无限向后延伸外,再有只能是焦点和结点终结。分离线的起点不能是焦点或结点,其终点不能是鞍点。对再附线亦给出了相应的结论。最后讨论了决定分离线位置的方法。     

三维定常粘性流动中分离线的性状——建筑在边界层方程上的分析

本文在边界层方程的基础上,研究了分离线附近流动的性状,证明在分离线上存在Goldstein奇性,且分离线是壁面极限流线的包络。     

垂直于物面的横截面上流态的拓扑

对于旋成体有迎角绕流，本文研究了垂直于物面的横截面上的流态结果。利用解析方法，给出了物面轮廓线上、迎风和背风对称线上以及全横截面上截面流线方程奇点的分布规律以及奇点沿流动方向的演变规律，从而可定性地确定截面流态的结构。通过求解ＮＳ方程数值模拟了钝锥有迎角高超声速绕流流场，计算获得的垂直于物面的横截面流线的拓扑结果和理论分析完全一致。     

应用PIV研究角区三维分离的附着奇点结构

利用PIV测试技术从定量的角度实验证实了角区干扰马蹄涡在一定条件下存在着有别于传统"分离奇点"的"附着奇点结构",即对称面最上游的流线并非是从壁面向上抬起而从壁面"分离",而是经由空间的一个奇点向壁面"附着",从而表明表面油流显示中的渐进收拢线可能是附着线而非分离线,因而油流渐进收拢线只是分离的必要条件而非充分条件.PIV实验结果还表明角区干扰马蹄涡存在着三种可能的附着奇点结构,三种附着奇点结构都满足奇点指数拓扑法则.     

利用流线法决定绕扁长椭球流动分离的位置

本文按照流线法把所测量的扁长椭球的压力分布用于决定涡层型三维流动分离,按边界层边缘处流线会聚的位置近似地决定分离线的位置。作为算例,计算了扁长椭球体在α=30°状态下的绕流,并在水洞中作了流场显示,数值结果和实验结果的对比表明,二者十分一致。分析表明,涡层型分离不仅与壁面极限流线的收敛有关,而且还与边界层边缘处流线会聚有关,前者的出现并不是引起涡层型流动分离的充要条件。     

评二维非定常分离准则

说明二维非定常与三维定常比拟准则存在着一些内在的矛盾,进而说明用Lagrange方法揭示的二维非定常分离应该用染色线而不应用轨线来解释。     

旋转钝锥高超声速绕流的数值模拟与定性分析研究

本文通过数值模拟和拓扑分析,研究了以等角速旋转的钝锥有攻角绕流时垂直于物面的截面流线性状,揭示了顺流运动壁和逆流运动壁情况下截面流态的拓扑结构,定性说明了三维非定常分离的一些主要特征.     

分离流和涡运动横截面流态的拓扑

为表片分离流和涡运动的空间特征，实验和计算多给出各横截面上流态。本文给出了横截面流态的拓扑规则，它们是：物体截面轮廓线上半奇点的分布规则；横截面流态奇点数的拓扑规则；Ｐｏｉｎｃａｒｅ指数判定表面纵向分离起始和终结的原则；物面坡度为正时，截面对称线上奇点数目的规则。     

分离流动的某些进展

 本文综述了判定二维非定常和三维定常粘性流动分离的条件及分离点、线附近流动性状的研究概况,介绍了作者的工作。     

钝锥有攻角分离流动的数值模拟及其分析

本文定性分析了开式分离的性状,并对钝锥有攻角超声速绕流的开式分离作了数值模拟。分析指出,开式分离可能存在两种形态,第一种分离线的起点为正常点,第二种分离线的起始为鞍、结点(包括螺旋点)的组合。对于第一种形态,分离线的起点是横向分离的起始点,除分离线外,分离面上的流线不是从分离线的起点发出的。对文中计算的情况,流动属第一种开式分离。计算证实了定性分析的结论。计算和分析均指出,对第一种开式分离,在分离的起始区域,分离流面尚未卷曲,但在下游,则变成卷曲面。文中还研究了围绕物体的流管在分离诱导下的变形情况。     

旋涡运动研究的某些进展

 本文简要介绍研究旋涡运动在以下问题上的某些结果:低速不同后掠角三角翼在各个迎角下的九种分离流类型及其边界;应用微分方程定性论与拓扑学对三维分离流与旋涡流的分析;旋涡破裂形态,对三角翼前缘涡破裂的实验研究与理论分析;受控分离与旋涡的干扰,二旋涡的位移、绕转与合并等。     

不同轴长比椭球体的绕流计算与分离形态分析

用拟压缩性方法求解不可压Ｎ－Ｓ方程,对４∶１旋成体椭球和其他轴长比椭球的层流绕流进行数值模拟。分别用二阶中心差分格式和三阶迎风紧致差分格式来逼近无粘项。从计算所得的表面摩擦应力线、空间流线和横截面流场特性,分析了１０°≤α≤７０°迎角范围内的分离和脱体涡系形态,算出了相应的气动特性。计算结果表明,三阶迎风紧致差分比二阶中心差分可更好地模拟分离涡结构。迎角直到４０°时,算出的流态仍然对称,而迎角为７０°时,算出的流态为非对称非定常,与实验流态基本相符。椭球体横截面形状越扁平,开式分离就越提前产生。椭球体横截面形状横向越窄,分离区就越小。由于改变椭球体横截面形状具有改变分离和脱体涡系的效果,本文的研究结果有助于改善三维物体的气动力特性,为改进机体设计提供理论依据     

三维绕空腔流的有限元数值模拟及流场拓扑结构

本文用一种高分辨率、无波动有限元法对三维空腔绕流进行了数值模拟。从计算结果中可以清晰地看到激波的移动，剪切层的波动，旋涡的变化和三维分离，其流场分辨率是令人满意的。     

采用附面层抽吸(BLS)控制流动分离的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了附面层抽吸(BLS)对两种具有不同分离特征的叶栅流场的气动影响。通过比较抽吸前后极限流线谱和叶栅损失的变化,对抽吸前后的流场进行定性分析。结果表明,采用附面层抽吸技术可以明显改善大转角、大分离叶栅的气动性能。其中,对以闭式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置为主分离区的起始位置,即鞍点附近;对以开式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置位于主分离区的上游。     

分离流中旋涡运动的热行为及其控制的数值模拟

以压缩拐角流动为例，对分离流中旋涡运动的热行为及其控制进行了数值模拟研究。研究结果表明，光滑表面上流动的分离特性及其热行为受到壁面温度的极大影响，提高壁面温度可以使分离点前移，再附点后移，分离范围扩大，涡心提高，而再附点附近及峰值热流则经历了一个先上升后下降的非单调变化过程；分离区和现附点附近的温度型与附着流差别明显，具有很高的峰值和很靠近物面的峰值点，从而造成高热流。而且温度梯度随壁温的不敏感性     

壁面振荡对边界层分离的影响

流动分离的控制是当今流体力学领域的一个十分重要的研究课题,本文研究外激发小扰动对基本定常分离流的二阶时均整流效应,结果表明:在合适的St/Re比值下,一个足够大振幅的激发扰动可以推迟甚至抑制分离的发生。