高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

侧滑角对鼓包诱导曲面激波/边界层干扰特性的影响

利用仿真方法对侧滑条件下设计马赫数为2的三维壁面鼓包诱导流场进行了研究。结果表明:随着侧滑角的增大,迎风面的展向压力梯度增大,鼓包表面高压中心向迎风面偏移使得迎风面前缘旋涡强度增强,迎风侧出口总压恢复损失,最终导致鼓包下游流场畸变增加。同时鼓包表面流动拓扑结构表明,随着侧滑角的增加，迎风面分离区的准锥形相似特性增强,而背风面由准锥形相似逐渐发展为准柱形相似。      

马赫数对后掠激波和湍流边界层干扰特性的影响

本文介绍了尖前缘翼诱导激波和湍流边界层干扰流场壁面特性，着重强调马赫数影响。给出２．０≤Ｍ≤８．２、ａ≤３５°分离流场中，锥型干扰区内主分离线和再附线位置与无粘激波角β０和迎角ａ的相关式，证实无粘条件是控制锥型区尺度的主要因素，面高超声速与超声速干扰流中二次分离随激波强度的不同发展，表明干扰流场的细致结构与可压缩性有关。     

带座舱飞船高超声速粘性绕流的分离形态及流场结构分析

通过求解薄层近似的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，数值模拟了带座舱飞船高超声速粘性绕流，首次系统地给出了攻角为５°、１０°、２０°、３０°和４０°情况下的物面分离形态、横戴面流线形态、纵剖面流线形态以及旋涡沿涡轴的演变形态。分析和比较表明，本文采用数值可视化方法给出的流场拓扑结构与相应的拓扑规律完全吻合。在飞船后体流场横截面流线中，本文发现了稳定的极限环流态，该极限环涡心处沿涡轴方向的速度是超声速     

拓扑结构改变流场数值方法研究及应用

物体从相互接触的状态分离时会导致流场拓扑结构的改变,针对拓扑结构改变过程提出了一种非结构重叠网格算法.该方法主要包括"洞边界"自动判定、重叠区形成和流场信息交换三个方面的关键问题.针对三维问题提出了判定洞边界的"曲面判定方法";对于重叠区待插值的网格节点建立了"动态义树"贡献单元搜索方法.洞边界上待插值点的流场参数通过插值方法从其贡献单元上得到.弹丸从炮口发射的过程中,由于弹丸与炮管的分离导致了流场拓扑结构变化,而当炮口带有制退器时将使流场的边界条件更加复杂.利用非结构重叠网格方法对弹丸从带有炮口制退器的火炮中发射过程进行了数值模拟,分析了初始冲击波形成和发展过程,详细描述了运动弹丸对膛口流场的影响.本文提出的算法将能够有效地应用到航空、航天以及兵器技术领域的研究中,特别是物体分离过程导致的流场拓扑结构改变问题.     

定常三维分离准则探讨

本文从奇点理论拓扑规律出发,说明在垂直于分离线及物面的截面上的截面流线有半鞍点存在,进而说明Lighthill等人认为的极限流线要在分离线以前抬起来是不合适的。合理的说法应该是极限流线总是同剪切应力线一致。只有在进入奇点以后,极限流线才抬起来离开物面。本文最后表明,单纯把二维分离准则用到三维分离的情况是不够的,并给出三维分离准则的表达式。     

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。     

小间距单孔冲击凸面靶板流场结构实验

利用烟线法研究了小间距、单孔冲击凸面靶板的流场结构.实验中,改变冲击雷诺数Re、冲击间距和冲击孔直径之比H/d以及冲击靶面相对曲率d/D等参数,通过拍摄流场形态,分析气流分离角度和涡旋结构随上述参数的变化规律.研究结果表明当Re,H/d较大时,在凸面靶板周向两侧形成了稳定的旋流结构.随着Re,H/d的增加,冲击射流与靶面分离处对应的圆心角增大,分离推迟.实验中还发现当d/D减小,流体与靶面的分离提前,其相对应的圆心角呈现减小的趋势.      

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.     

阻尼台对轴流跨声速压气机性能的数值研究

以一台高负荷、高转速的单级跨声速轴流压气机为对象,采用全三维数值方法对有无阻尼台的压气机内部流场进行模拟,着重讨论了压气机转子中带阻尼台部分区域及端壁区域的流场。数值计算结果指出阻尼台的引入降低了该压气机的性能。流场分析表明,带阻尼台后增大了动叶中部通道(阻尼台附近)及静叶靠近机匣的区域的流动损失,但对动叶顶部流场、动叶吸力面附近的分离线位置和形状影响很小。