绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明：在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时（σ=1.05～1.20）,仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

绕弹性水翼空化流激振动特性实验研究

弹性结构在空化载荷作用下易发生振动，从而威胁结构安全，研究绕弹性水翼的空化流激振动特性显得尤为重要。采用高速摄像、测力装置和激光多普勒同步测量系统，分别获取了不同空化阶段的空泡形态、水动力、结构变形及相应诱导的结构振动特性。研究结果表明，弹性水翼的水动力系数在无空化阶段几乎保持不变，随着空化产生，升力、阻力和扭转力矩系数都随着空化数减小呈现先增大后减小的趋势。水翼在云状空化阶段下振动最为剧烈，大尺度空泡的周期性脱落导致结构振动速度呈现周期性变化。初生空化、片状空化和云状空化阶段的振动速度、概率密度分布均服从高斯分布，其中云状空化阶段的高斯分布曲线均方根最大，这是由于云状空泡团的脱落和溃灭导致的速度波动较大。在云状空化阶段，较大空化数下呈现回射流非定常脱落机制，较小空化数下呈现激波非定常脱落机制。回射流机制下，空穴演化呈现附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭的非定常过程。激波机制下空穴演化具有附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭-残余空穴溃灭的非定常特征。不同脱落机制下结构振动特性存在显著差异，回射流机制呈现小幅、高频的振动特性。由于大尺度空泡团的溃灭激波及其引起的附着空...     

回转体头部空化噪声特性的实验研究

为了分析回转体头部空化噪声特性，利用高速水洞实验室对实验测得的回转体圆头头体、平头头体模型空化噪声的谱特性进行了测量。测量结果表明：在空化形态不变的条件下，空化噪声宽带谱级将随空泡数的减小而单调增加；随着空化的发展，其空化噪声谱的低频段升高，而高频段的噪声则相对下降；在空泡数基本相同的条件下，模型空化噪声的宽带谱级和谱形基本相同。     

热力学效应对液氢非定常空化流动的影响

为研究热力学效应对低温流体非定常空化流动的影响,以液氢为研究对象,采用大涡模拟计算了热力学和等温条件下液氢绕回转体的非定常空化流动。计算结果表明:热力学效应延长了液氢的空化周期,增强了空化的非定常特性,抑制了空化的发展。热力学条件下的空泡团内部包含更细、更小的气泡,呈现出多孔质特征,且使整个流域存在1.5K左右的温度波动。通过旋涡运动分析发现,热力学效应使旋涡结构由空穴交界面向空穴内部移动。基于涡量传输方程分析了热力学和等温条件下空穴和旋涡的交互作用,发现在热力学条件下,旋涡伸长项的作用位置主要位于空穴前端和尾端的交界面处,旋涡扩张项和斜压扭矩项主要位于空穴内部;在等温条件下,旋涡伸长项和旋涡扩张项主要位于空穴上方交界面处,斜压扭矩项主要位于空穴尾端。      

绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。     

基于熵产理论的水翼空化特性研究

为了对空化流场中的能量损失做出定向、定量的评价,引入熵产理论对绕二维水翼流场进行了分析。以NACA0009翼型为计算模型,选用k-ω湍流模型以及ZGB空化模型对翼型的外特性进行了数值仿真并与实验结果进行了对比,发现计算结果与实验结果符合较好。仿真结果表明,熵产与翼型外特性之间有明显的相关性,在升力系数和阻力系数发生突变的时候,熵产和能量损失也发生剧烈变化;在流场中湍流耗散熵产始终占80%以上,大空化数下壁面熵产占比在10%左右,不可以忽略;能量损失总是集中分布在空穴的末端和翼型的尾端;空化数在0.6～0.4时,空穴会发生大尺度周期性脱落,造成流场的损失增大,但是当空化数0.4时,空穴变得比较稳定,使得流场比较稳定,损失减小。分析表明,熵产理论可以应用于空化流场分析中。     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象。实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态,并测量了水翼所受的升阻力。利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征。结果表明：在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点。在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化。     

大攻角细长旋成体非对称涡组合扰动控制的数值研究

使用数值模拟的方法,研究了采用三角扰动块加单孔位微吹气进行大攻角细长旋成体绕流非对称涡控制的组合扰动技术。结果表明,组合扰动可以实现旋成体侧向力的渐变控制。对流场结构的分析发现,组合扰动是通过改变旋成体头部流场涡结构从而实现了对整个非对称流场的控制,据此可以确定能实现侧向力控制的有效吹气孔周向位置。计算中还发现,吹气孔位于离顶部较远位置时,侧向力随吹气强度变化平缓易控制,但需以较大吹气强度为代价。     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统（DPIV）对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测。结果表明：在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性。     

方柱-强旋组合旋涡脱落机制研究

强旋流和钝体绕流均可构造低速回流区以利于高速气体稳定燃烧,本文通过在钝体中心开孔通入旋流气体模拟研究了旋流流动对钝体绕流旋涡脱落的影响规律。计算结果表明,在旋流作用下,钝体绕流涡脱规律更加复杂,涡脱由上下边界层失稳主导变为由旋流管中的旋流涡主导,并且形成的涡尺度增大,在脱落过程中会由于旋涡的破碎产生"点潭"以增强周围涡强度。同时,柱体涡和旋流涡的相互作用可以减小流动阻力,增加回流区长度和回流质量流量,从而强化传热传质,起到强化燃烧增加燃烧稳定性的效果。     

后视镜罩边缘结构对流场和气动噪声的影响

采用大涡模拟(LES)的计算方法,对车外后视镜不同边缘结构引起的外部流场和镜后车身表面监测点处的气动噪声进行了数值仿真.研究表明:不同的镜罩边缘结构在较大程度上影响了流经后视镜罩的气流速度和流线方向,对后视镜后部流场和监测点处声压级产生较大影响.相较于原模型的光滑边缘结构,模型1后部流场涡团更远离车身表面,有利于降低气动噪声,某监测点1/3倍频程中心频率处声压级最大降幅接近10dB;模型2后部流场涡团产生分离,并更靠近车身表面,反而使气动噪声增大.模型1的镜罩边缘结构改进方案对车外后视镜-A柱区域的流场和气动噪声都有较好的改善.     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

加力燃油泵压出室非设计工况内流特征数值模拟

针对某型航空发动机加力燃油泵隔舌空蚀破坏,采用滑移网格技术模拟泵内非定常流场,揭示了压出室在典型非设计工况下的内流特征,研究了隔舌处的空化机理.计算结果表明:大流量工况,扩散管锥形段存在大小两个分离涡,而环形腔室隔舌段燃油以相切方式流经隔舌壁面,无明显流动分离,不会发生空化;而小流量工况,扩散管锥形段内两分离涡扩展到大部分区域,右半侧部分阻滞燃油在反向流向涡作用下,绕流隔舌上部,在隔舌下游形成了明显分离涡,导致隔舌壁面静压急剧降低,进而引发空化,产生空蚀破坏.      

超音速钝体无粘绕流的计算

研究用三维特征线相容性关系的迎风差分格式,数值模拟超音速和高超音速钝体无粘绕流流场。用钝体反方法计算头激波及其波后的流场,用轴对称流特征线法确定初值面上的流动参数。算例的计算结果与实验数据比较吻合     

倾斜30°锥形喷孔气膜冷却的流动和传热实验研究

对流向倾角为３０°、锥顶角分别为１５°和３０°的锥形气膜冷却喷口射流下游的流动和传热进行了详细的实验研究，并与相同实验条件下圆孔的射流情形进行了比较，发现锥形喷口下游的速度边界层的等值线具有三种基本分布形态。随着锥形出口面积的增大，射流的穿透能力明显减弱，核心区域速度明显降低，侧向扩展范围明显增加，纵向耦合涡迅速减弱并消失，从而显著地提高了气膜冷却效率，尤其是提高了喷孔两侧流向下游位置上的冷却效率。同时，大锥顶角的高吹风比下，射流具有十分良好的贴壁效应和非常可观的冷却效率。     

加力燃油泵隔舌倒圆抑制分离的数值模拟

采用动态亚格子应力模型对加力燃油泵内非定常流场进行大涡模拟,探讨了原隔舌空蚀机理,并研究了不同倒圆半径下泵隔舌附近的瞬时流动规律及流量扬程特性.计算结果表明:小流量工况原隔舌处分离产生的强剪切涡会诱发空化,涡脱落形成的分离再附位置与空蚀破坏核心区域相符;小流量工况下,隔舌倒圆在扩散管内形成转向涡,消除了隔舌壁面分离绕流及附着剪切涡,4mm倒圆半径可以避免空化;设计流量范围内隔舌倒圆提高了泵出口扬程,流量越小扬程增幅越大,小流量工况时扬程增幅达3%.