三角翼非定常旋涡运动横截面拓扑结构研究

本文用数值方法求解N-S方程，研究了低速流中三角翼背风面涡破裂演化过程中前缘涡的横截面拓扑结构。从横截面流线发现，从翼尖到近尾迹，前缘分离涡经历了由稳定到不稳定，再由不稳定变为稳定，在尾迹上又再次变为不稳定等三次转换过程，并由三个极限环的产生实现这些转换。对比沿涡轴的轴向速度分布表明，这些截面拓扑结构的变化规律以及极限环的产生与定性分析理论是相符的。当极限环扩散到前缘涡以外的区域时，极限环会溶入外流而消失，所以能否出现多个极限环同时存在的情况，取决于极限环的扩散速度。在涡破裂的产生与演化过程中，前缘涡的横截面拓扑结构沿流向的变化规律基本不变，原因在于涡破裂的产生和演化并没有改变旋涡沿轴向的拉伸和压缩规律。因此旋流沿流向的拉伸和压缩是确定横截面拓扑变化规律的主要因素，涡破裂以及破裂特性的改变，并不产生新的横截面拓扑结构。     

涡环相互穿梭产生的声及频谱特性

涡环的诱导与自诱导会引起同轴涡环的相互穿梭运动。在忽略涡核形状改变的前提下,利用涡声理论和理想流体中涡冲量守恒,可将远场声压用系统涡质心的轴向加速度表示。涡质心轴向运动加速度的变化是产生声的根本原因。在利用Biot-Savart公式得到涡环运动轨迹的基础上,对涡环穿梭运动产生的声及频谱特性进行了分析。涡环之间的初始轴向距离越远,所产生声的频率成分越丰富;相反,所产生声的频率成分越单一。     

反射激波作用下两种重气柱界面不稳定性实验研究

在水平方形激波管中对两种无膜重气柱界面（分别是SF6和氩气）在反射激波作用下的不稳定性发展进行了实验研究。气柱界面采用射流技术形成,实验采用连续激光片光源照射流场,乙二醇作为示踪粒子,并用高速摄像机对流场进行拍摄,获得了入射激波以及反射激波共同作用下,两种不同气柱界面的演化过程。实验结果表明,两种气柱的Atwood数不同,界面演化速率不同,反射激波到达前后的界面形态不同。SF6气柱在入射激波作用下会产生两个比较明显的反向的涡环结构,而氩气柱界面上由于产生的涡量较少,涡环结构并不明显。在反射激波作用下,SF6气柱界面会出现明显的次级涡对,而且次级涡对的旋转方向与初始涡环结构的旋转方向相反。对于氩气柱而言,在反射激波作用下虽然也产生了与初始涡环方向相反的次级涡对,但次级涡对始终未充分发展。这是因为反射激波作用时氩气柱界面的Atwood数较小导致氩气柱界面上产生的反向涡量较少。实验结果充分表明了气体Atwood数对界面不稳定性的发展起到了较大的影响。     

单气泡上浮运动的层析PIV实验研究

为了揭示上浮过程中的尾流涡结构及其与气泡之间的相互作用，分别采用阴影图像法和层析PIV技术，对单个气泡在静止水中自由Z字型上浮的过程进行了实验研究，得到气泡的形状、运动和三维的尾流速度场。采用"λ" _"ci" 涡判据和有限时间李雅普诺夫指数（Finite-Time Lyapunov Exponent，FTLE），从速度场识别出三维的尾流涡结构和二维的拉格朗日拟序结构。结果表明，Z字型上浮过程中，气泡周围环绕有涡环，涡环会沿运动路径脱落交替的、方向相反的发卡涡；单个发卡涡脱落过程中，涡环一侧的FTLE脊线会闭合形成拉格朗日涡。由此可得到结论，发卡涡的周期性脱落，使涡环相对于气泡的对称性被周期性交替破坏，导致气泡形成Z字型周期运动；单个发卡涡脱落过程中，涡环两侧各自对发卡涡的流体输运存在显著差异。     

旋涡沿轴线的非线性分叉

本文研究了低速旋涡沿其轴向的演变，发现涡轴上λ＝（１／ρ０）是决定其演变规律的重要参数。如果λ＞０，涡轴附近横截面的流线是由外向内转的稳定螺旋点形态；如果λ＜０，是由内向外转的不稳定螺旋点形态。如果沿涡轴，λ变号，则由变号点起出现Ｈｏｐｆ分叉，产生极限环。λ分叉，产生极限环。λ由正变为负，极限环是稳定的；λ由负变为正，极限环是不稳定的。一个稳定的旋涡要演变为破裂，一定要伴随先出现Ｈｏｐｆ分叉。旋涡     

双翼尖涡Rayleigh—Ludwieg不稳定性实验研究

采用一种结构化矩形直机翼涡发生器产生一对大小不同、方向相反的翼尖涡，调节双涡涡量的大小比例Г1／Г2及其间距b，触发两涡Rayleigh—Ludwieg不稳定性。实验采用流动显示方法定性观察双涡相互作用过程，通过二维PIV（粒子成像测速）系统定量研究双涡相互作用特征，得到双翼尖涡中主涡及次涡的运动特性、环量-时间特性。对不同实验参数下残余环量比例进行分析，发现双涡涡量大小比例Г1／Г2在1．3～1．4、b为50ram时双涡相交削弱效果良好，能够实现翼尖涡强序削弱程度扶30％～40％。     

直升机涡环区域边界包线的确定

在旋臂式模型旋翼试验机上模拟直升机的垂直下降和斜下降飞行，试验中首次发现了旋翼进入涡环区域的特征现象－－旋翼轴扭矩的异常变化。在分析试验结果的基础上，探讨了确定涡环区域的方法，对美国Ｐｅｔｅｒｓ教授提出的涡环边界判据进行了试验修正，进而建立了一套通用的半经验算法，计算出涡环区域的速度边界包线。     

直升机涡环状态试验数据处理研究

采用神经网络误差反向传播算法，以旋翼涡环状态试验数据为基础，研究了桨叶负扭度对直升机涡环状态特性的影响，分析了负扭度变化对旋翼扭矩、拉力平均值及脉动幅度的影响。计算结果表明，神经网络模型能够准确预测桨叶负扭度对直升机涡环状态的影响。     

侧风下孤立尾桨的气动特性和抗侧风优化

尾桨涡环严重危害了直升机飞行安全，为探讨涡环对桨盘附近诱导速度场的影响和解释桨叶拉力非定常脉动的原因，构建了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的尾桨涡环数值计算方法，并结合叶素动量理论和圆线涡环模型进行气动分析。同时，为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷，建立了一套全湍流连续伴随的翼型优化框架，获得的翼型用于尾桨设计以提高尾桨抗侧风能力。结果表明，桨盘附近诱导速度场对侧风入流速度十分敏感，在典型涡环状态下，14.65 m/s侧风导致涡环的涡强增大且不断改变，引发翼剖面的有效攻角随桨盘附近风速动态减小，进而尾桨拉力下降至原有的58.5%并伴有高频脉动。全湍流连续伴随在最优外形的获取上则要领先于冻结湍流黏性假设，最佳翼型获得的尾桨相较于原始尾桨的拉力提高了10.9%，悬停效率提高了3.9%，扩大了尾桨进入涡环的临界侧风速度。     

陷窝诱导涡结构数值模拟分析北大核心CSCD

为了澄清陷窝诱导涡结构及其对尾流的扰动方式,针对布置深宽比0.2陷窝的两平板间充分发展流动进行了稳态数值模拟。应用张涵信的旋涡沿轴线的非线性分叉理论分析表明陷窝内涡结构为失稳破裂的半涡环,总结了陷窝对尾流的扰动方式。研究发现,陷窝诱导的旋涡分离为螺旋点/鞍点/螺旋点分离。物面的分离螺旋点形成,在空间演化为垂直物面发展的对称类龙卷风涡结构。对称类龙卷风涡在对称面闭合形成半涡环。半涡环经历了从稳定升起、沿流向随着涡粘性扩散和涡粘性耗散下变得不稳定、到最后在强逆压梯度下泡型涡破裂的过程。半涡环涡破裂涡量散开诱导形成陷窝尾流的弱纵向涡和陷窝尖后缘绕流产生的边涡旋转同向,加强了陷窝后流场的对流强度。     

Effect of multiple rings on side force over an ogive-cylinder body at subsonic speed

Experiments and computations were performed over an ogive-cylinder body having an lift-to-drag ratio of 16 at a diameter Reynolds number of 29000. The side force on the slender body augments with increasing angles of attack for the case without a ring. This increase was mainly due to the increase in the asymmetry of the existing vortex pair in the wake of the body. Attempts were made to completely reduce the existing side force at the angle of attack ranging from 35° to 45°.Three rectangular cross-sectioned circumferential rings having a height of 3% of the local diameter were placed at axial distances of 2.5, 3.5 and 4.5 times the base diameter from the tip of the body so as to reduce the side force. The results obtained indicate that inclusion of three rings completely alleviated the side force on the slender body at the angle of attack ranging from 0° to 45°. The presence of rings was found to alter the growth of the vortices that helped in the reduction of the side force. Computations performed were in reasonable agreement with the experiments.     

亚声速全机纵横向气动特性计算方法

本文介绍了一种涡格方法,它适用于亚声速飞机的纵横向气动特性计算。该方法中,升力面用布置在中弧面的平均平面上的单涡格层,或用布置在上、下表面的平均平面上的双涡格层模拟,机身则由布置在表面上的四边形涡环或由布置在一组同轴棱柱面上的涡栅来模拟。地面效应用布置镜像涡系的办法处理。文中讨论了机翼尾涡偏斜对平尾、立尾的影响。 该方法计算的结果与有关的理论和实验进行了比较。这些比较表明,此方法计算精度满足工程设计的要求。     

流场可压缩性对涡相互作用影响的数值研究

涡相互作用作为冲压发动机喷注装置的典型抽象流动现象,研究其可压缩性影响对于认识包含化学反应的真实燃料喷射场具有一定基础理论价值。基于经过数值验证的可压缩Navier-Stokes算法与压力泊松方程初始条件设置方法研究流场可压缩性对涡相互作用演化过程的影响。结果表明,以较高涡旋马赫数表征的可压缩性在改变涡对形态的同时,具有延缓涡旋相互靠近,迟滞融合进程的作用。关于涡对系统开始融合的临界条件,可压缩相互作用开始的临界展弦比与无量纲时间相比于低速涡对明显提高。为在无量纲时间意义下统一不同马赫数涡对相互作用的进程,从涡心密度随时间变化规律出发在不可压涡对特征时间的基础上,初步构建了考虑可压缩性的时间尺度修正关系。     

旋涡发生器对叶片根部马蹄涡的影响

针对简化了的叶片-平板结构,在叶片上游平板上的某位置布置旋涡发生器影响马蹄涡.数值模拟了不同高度旋涡发生器作用下的角区湍流流动.结果表明:任何一种旋涡发生器都能不同程度地削弱马蹄涡系,高度为2mm的旋涡发生器能使这种削弱作用达到最大;另外,随着高度的增加,叶片两侧的涡腿有向叶片聚拢的趋势.提出的方法无需额外消耗能量,为一种被动的控制手段,有很大的实际应用前景.布置旋涡发生器的控制方法简单实用,工程中采用该法是不错的一种选择.      

导流板加涡流器对进气道性能影响

进气道进口导流板(简称导流板)已在航空上得到应用。文献对其机理作了实验研究,表明导流板可有效地改善进气道在大攻角下的出口流场品质,但在小攻角时却使进气道的性能有所下降。为弥补此缺陷,可再采取一定的措施,如安装金属涡流器,改善小攻角下的性能,就对导流板技术的应用增添了价值。     

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。     

小振辐振荡圆柱诱导的二次旋涡流动

本文给出充满粘性不可压缩流体时同心圆柱间内柱作小振幅振荡所诱导的二次旋涡流动的解析解,对典型的柱径比给出容器外边界对二次旋涡流动流线、涡量分布和动能分布的影响。给出了等涡量线和等动能线分布的鞍点。采用数值求解非定常Stokes流动考察了二次旋涡流动的发展过程。二次定常旋涡流动的显示实验表明,解析解、数值计算和实验显示所示流谱基本一致。     

凹半球降落伞模型在加速和定常流中的流场观测

 在北京航空学院水槽中,用氢泡法对绕凹半球模型流动进行了研究。模型前后流速分布是用氢泡时间线测量的,它与在起动开始时由无旋流理论估算值接近,但当起动旋涡变大以后,在尾流中流速差别变大。在模型后部诱导出较大的反流速席。所以由无旋估计的虚质量只在开始时是可用的,并且在起动涡变大时,虚质量应更大。 在定常流中,在模型前有时形成一个大旋涡,这个旋涡是非定常的并且可能引起侧向力和伞的非定常运动。模型上适当开孔可减小甚至消除此旋涡。     

倒置梯形涡流发生器与非对称超声速来流相互作用的短隔离段流动数值研究

为了有效地缩短超燃冲压发动机隔离段长度,在前期研究的等宽度平直斜楔基础上,用数值模拟的方法,研究了一种侧壁面后掠的倒置梯形涡流发生器,涡流发生器放置在隔离段进口厚附面层一侧。研究结果表明:加装倒置梯形涡流发生器后可在进出口压比相同的情况下,将隔离段长度减小40%左右,比等宽度平直斜楔多缩短5%;激波串长度随后掠角呈非线性变化,在一适当的后掠角下,激波串长度最小,它的总压恢复系数与等宽度平直斜楔处于同等水平。