沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果,发现沟槽面的带条比较平坦,低速带条有较好的直线性,说明沟槽限制了流体的横向流动,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小,最多小30%,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小,但最可几概率增大,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨,得到的沟槽无量纲高度和间距为15～18的沟槽板有较好的减阻效果。     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

圆柱尾迹影响平板边界层转捩的实验研究

利用氢气泡和染色液流动显示的方法,在水槽中研究了圆柱尾迹对平板边界层转捩的影响。重点讨论圆柱与平板的流向距离和法向距离以及圆柱直径等几何参数对边界层转捩的不同作用,发现平板边界层转捩开始点的位置由尾迹与边界层作用的初始位置决定,这一位置由圆柱与平板的相对几何位置来确定。转捩区长度与边界层内部流体性质、扰动强度等有关,同时也受到圆柱、平板相对几何位置的影响。对转捩区近壁二次涡的产生和演化进行分析,发现尾迹对平板边界层的扰动是通过在近壁面诱导二次涡并影响二次涡的后续运动来体现,二次涡及其演化是边界层转捩位置大为提前的重要原因。     

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

覆盖多孔介质的圆柱尾迹实验研究

利用风洞试验研究了多孔介质对圆柱绕流的影响,通过热线、烟线和粒子图像测速对有/无覆盖多孔介质柱体尾迹的频率特征、平均流场和瞬时流场进行了测量和分析,进而探究多孔介质与流场之间的作用机理。结果表明:引入多孔介质后,尾迹的大尺度涡脱落结构得到有效抑制,圆柱涡脱落频率降低;多孔介质减弱了近尾迹场的速度功率谱密度峰值,增大了远场的速度功率谱密度峰值,涡脱落位置延后;多孔介质减小了尾迹区的速度,拓宽了尾迹的宽度,使得两侧剪切层变得细长,削弱了它们之间的相互作用,减缓了两侧涡相互作用的速率;同时,多孔介质减小了尾迹区的速度脉动以及雷诺应力,雷诺应力和平均涡量的峰值更加远离圆柱,减弱了剪切层的不稳定性,增大了涡形成长度。     

轴向间距对低反力度压气机性能影响的二维非定常数值研究

为进一步明晰低反力度压气机内部复杂流动机理,以低速低反力度吸附式压气机叶展中截面微元段作为研究对象,借助非定常数值模拟的方法,探讨了变轴向间距对低反力度压气机气动性能的影响。研究结果显示,轴向间距缩短后,转子受下游静子势流的作用更为明显,近尾缘区域静压波动幅度增加、尾迹亏损加剧;在静子流道输运过程中,转子尾迹呈现出明显的离散趋势且与静子吸力面附面层干涉作用加剧,这导致静子通流损失增加12.976%,整机效率降低了0.16%。     

多孔介质对圆柱-翼型干涉噪声的影响

采用LES（large eddy simulation）+FW-H（Ffowcs Williams-Hawkings）方程，研究了圆柱表面使用不同PPI（pore number per inch）和厚度的多孔介质对圆柱尾迹及圆柱-翼型干涉噪声的影响，探索了多孔介质的降噪规律和机理。结果表明：多孔介质能稳定圆柱表面的剪切层，抑制旋涡脱落，从而削弱尾迹对下游翼型的影响，圆柱单音噪声最大可降79 dB，翼型单音峰值降低13.22 dB，宽频噪声降低20 dB；多孔材料PPI的变化对降噪效果影响较小，而厚度是影响流场模态、降噪效果及气动性能的一个关键参数；多孔材料厚度合适时，圆柱-翼型流场形态为“剪切层模态”，可有效降低湍流干涉噪声；多孔材料厚度较小时，发现了一种流场形态，即“剪切层-尾迹模态”，导致翼型噪声增大；合适的多孔介质厚度不仅降噪效果显著，对圆柱-翼型的气动性能也有改善作用。     

探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响

以圆柱状方向探针为研究对象开展了探针支杆尾部椭圆状修型,采用数值模拟与试验研究相结合的方法分析了探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响。结果表明:探针支杆扰流会增大下游叶栅总压损失和对应叶片的尾迹损失;相比于其他安装位置,支杆安装在叶片通道中部时对下游叶栅气动性能的影响较小。当进口马赫数为0.50时,支杆尾部椭圆状修型可以延缓支杆表面附面层气流分离以大幅降低尾迹强度,从而减小尾迹对下游叶栅流场的干扰;当进口马赫数为0.87时,由于支杆表面出现激波与附面层干涉,使得附面层发生分离,此时进行支杆尾部椭圆状修型不能有效降低支杆尾迹强度,无法减小支杆尾迹对下游叶栅流场的干扰。     

上游尾迹入射角对压气机叶片负荷的影响

压气机叶片负荷的提高使得叶片表面边界层更容易分离,利用上游叶排产生的非定常尾迹能够抑制边界层分离.运动圆柱代替上游转子,在保证下游叶片进气速度大小及攻角不变的情况下,改变圆柱运动速度以获得上游尾迹与下游静叶吸力面不同的夹角,发现在低负荷小分离情况下静叶损失系数与上游尾迹入射角无关;高负荷大分离情况下静叶损失系数随上游尾迹入射角的增加而降低.分析尾迹作用下高负荷静叶通道内流场,当进入静叶通道的尾迹与叶片吸力面近似平行时,尾迹诱导边界层增厚.使得叶片表面分离泡随时间大幅值脉动,损失增加;当尾迹与叶片吸力面的角度逐渐垂直时,尾迹抑制了边界层分离,同时叶片表面分离泡位置近似不变,其原因是尾迹以负射流形式进入边界层内部,补充了边界层内部低能流体,使得损失减小.      

趋于临界马赫数的圆柱跨声速绕流特性分析

通过深化认识趋于临界马赫数Ma_cr的圆柱跨声速绕流特性,明确新型飞行器增升减阻设计的空气动力学理论依据。采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma_∞为0.75和0.85、雷诺数Re为2×10⁵的圆柱跨声速绕流。结果表明:当Ma_∞趋于临界马赫数(Ma_cr≈0.9)时,圆柱的阻力下降且升力系数振荡被抑制;通过力的分解,得知圆柱的阻力减小来自旋涡力的影响,而非可压缩性;圆柱的阻力减小与其背压上升有关;剪切层初始阶段的对流马赫数Ma_c随Ma_∞的增加而增大,而增长率相反,这使得剪切层更为稳定、柱体背压更高。此外,由于Ma_∞=0.85时边界层分离点处的激波和尾迹处的激波向下游推移,使得近尾迹处的湍流脉动减弱,进而导致柱体的表面压力振荡和升力系数振荡被抑制。     

低速压气机静叶非定常Clocking效应数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了重复级低速压气机内部非定常流动,其中包括静叶Clocking(时序)效应以及尾迹-边界层、尾迹-尾迹和尾迹-泄漏流的相互作用.对静叶时序效应的结果分析显示,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化只有0.1%,表明低速压气机中静叶时序效应不明显.另外,非定常结果流动图画显示,在非定常环境下上游周期性尾迹的通过对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的发展都有一定影响.     

考虑轴向间距变化的低速压气机Clocking效应的数值模拟

以低速压气机试验为原型,采用二维非定常数值模拟的方法研究了轴向间距改变对低速压气机气动性能的影响。数值模拟结果显示,轴向间距减至原型间距的33%时,整机效率的提高超过了1%。该方案在除第一列静叶之外的三列叶栅中都表现出流动损失的降低,尤其在第一列动叶中最为明显。轴向间距减小带来的势流干扰增强产生非定常的扑翼现象,显著改善了第一列动叶的流动状态。适当减小轴向间距可以降低叶栅内下游叶列非定常干扰引起的损失。     

低速轴流压气机尾流撞击效应的数值模拟

利用二维数值模拟研究了低速轴流压气机上游尾迹对下游相邻叶排的非定常分离流场的影响。研究表明：满足一定通过频率和亏损幅值条件的尾迹能够有效抑制下游相邻叶排尾缘涡的生成，达到控制或是推迟附面层非定常分离的目的，从而使得流场时均性能大幅度的提高，损失系数降低了40．2％，功损比增加93％。为固有非定常潜能的利用提供了一类新途径。     

低速轴流压气机转子尾迹三维动态测量

对一台低速轴流压气机的转子尾迹进行了三维动态测量,采用锁相平均、方均根和功率谱密度等分析方法对低速轴流压气机转子在节流过程中尾迹流场的稳态和动态特征进行了研究.结果显示:在绝对坐标系下,转子尾迹有高总压和高方均根特征,且在不同叶高的强度不同;转子尾迹与主流的掺混作用导致平均总压升系数的快速衰减;功率谱密度分析表明,在接近失速点时,转子尾迹90%叶高以上出现0.5倍叶片通过频率的特征频带且其功率随着流量减小而增大.      

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

尾缘修型对探针支杆尾迹抑制作用的数值研究

为减小压气机试验中探针支杆尾迹对下游被测流场的干扰,以圆柱型探针支杆为研究对象,对其尾缘结构进行椭圆状修型处理,并采用数值模拟方法对支杆尾缘修型进行参数化研究,分析了修型几何参数对支杆尾迹旋涡抑制作用的变化规律。研究表明:支杆尾缘实施椭圆修型后所产生的总压损失随着椭圆长短半轴比值的增大而逐渐减小;当进口马赫数不大于0.50时,尾缘修型可推迟支杆表面附面层的流动分离,降低支杆尾迹掺混损失;当进口马赫数大于0.50时,尾缘修型虽能降低激波强度,但由于未能推迟壁面附面层分离,对尾迹损失抑制作用减弱。     

非定常尾迹输运对动叶气膜冷却流场影响

对不同尾迹宽度下涡轮动叶的气膜冷却流场进行非定常数值研究,研究了尾迹输运对动叶气膜冷却流场的影响机理.计算结果表明:非定常尾迹的总压损失和速度损失而形成低速区,当非定常尾迹输运到冷却孔附近时,尾迹对气膜层的干扰占主导地位,靠近气膜孔的叶片区域冷却效率降低明显.非定常尾迹的影响使得冷却气流被带到压力面叶片下游更广阔的区域,导致气膜冷却沿叶展方向的覆盖范围更广,从而使得压力面气膜冷却效率在尾迹通过时更高一些.当尾迹宽度增大时,对气膜冷却效率的影响程度增大.尾迹对压力面的影响比吸力面更大一些.      

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.