粗糙元诱导的高超声速边界层转捩

基于有限体积方法,直接数值模拟了高超声速边界层内不同形状粗糙元导致的强制转捩现象;为了能够深入探究强制转捩机理,解析小尺度运动,同时又能够较好地捕捉激波,采用高阶色散最小耗散可调（MDCD）格式对Navier-Stokes方程组对流项进行重构。计算结果表明,数值结果与对应的实验值吻合较好;该方法能解析小尺度的流动结构以及规则结构的破碎与失稳过程,可揭示粗糙元引起的强制转捩机理,即此类强制转捩主要由粗糙元顶部的三维剪切层失稳导致。对多种粗糙元的转捩效果进行了定量研究,影响因素包括粗糙元形状、几何参数等。     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。     

低温液体冷却剂换热特性研究

通过建立地面环境下低温液体冷却剂在多孔介质内的流动换热模型,以及对液氮在多孔介质内的换热特性进行的数值模拟研究,表明液氮具有很强的换热效能,它能够大大降低接触面的温度,可以解决某些高热流密度区域的散热问题     

离心力场下多孔层的不同厚度对热驱动换热的影响

以涡轮叶片新型超级冷却技术的研究为背景,在具有冷却通道的新型冷却结构中加入多孔介质,采用实验与数值模拟相结合的方法研究了不同多孔层厚度条件下,新型冷却结构的热驱动换热规律,实验和计算结果基本一致.研究结果表明不同多孔层厚度条件下,该新型冷却结构具有相同的换热规律:随着旋转速度、热流密度和冷气进口速度的增大,该结构的热驱动换热能力逐渐增强.同时实验研究发现,随着多孔层厚度的增大,热驱动换热效果降低.      

微小通道流动换热特性分析及其结构优化

就一组不同水力直径的矩形微小直通道进行了实验研究,并通过经验证的数值方法进行了大量CFD计算,得到了通道内流体努塞尔数和阻力系数随雷诺数变化的规律.结果表明,在所研究微小尺度范围内通道内流动的转捩雷诺数提前到1 200～1300之间,以大量数值模拟结果为样本点经过多元线形回归建立了所研究范围内微小通道流体换热与流动特性的准则关系式,并基于遗传算法,对矩形微小通道的几何结构进行了优化,为工程应用提供了依据.      

W型封严环表面粗糙度对间隙泄漏流动的影响

金属封严环密封结构的泄漏是影响发动机金属封严环间隙泄漏通道内气体流动的因素之一。本文采用有限元分析软件建立不同表面粗糙度下的泄漏通道模型;采用CFD 技术对不同结构的间隙内流体流动进行数值模拟,研究表面粗糙度对泄漏流动的影响;计算封严环的泄漏率,通过密封试验验证计算结果的正确性。结果表明：气体在泄漏通道内受到表面粗糙度的影响,靠近粗糙壁面处产生明显的回流现象,降低了通道内流体的泄漏流速;在接触应力不变的条件下,密封间隙的泄漏量随表面粗糙度的增大而增大,提高封严环的加工精度能够降低表面粗糙度从而增强其密封性能。     

多孔多层板发散冷却特性(一)直通道

多孔多层板发散冷却技术是解决现代高性能燃气轮机冷却问题的有效途径。针对Lamilloy类型的 3层多孔层板结构 ,以层板单元为对象 ,进行了直通道内多孔多层板流动换热特性的数值模拟研究。结果表明 ,层板单元内流动换热关于对角面对称 ,各层板间隙内流动结构基本相同。流体在层板间隙内经历了小孔高速射流冲击板面及绕过支撑凸台向下一层板小孔汇流的过程。层板内换热非常强烈 ,换热最强的部位在冲击射流滞止区。     

耐烧蚀材料结构重构及其内部流动与传热研究

为了研究耐烧蚀材料内部的输运现象,论文使用多点统计方法中的Snesim重构了三种2D多孔介质,并使用格子Boltzmann方法(LBM)模拟了不可压条件下2D多孔介质内的流动与传热现象。模拟结果表明:Snesim方法能够获得耐烧蚀材料的孔隙结构,且资源消耗少;多孔介质内的流动与传热现象与多孔介质结构相关,简单多孔介质中,速度和温度的分布相对比较均匀,复杂多孔介质中,不均匀的流动对温度分布有显著影响。      

刷式封严结构泄漏特性的数值研究

为了简化工程设计,将刷束区域处理为多孔介质模型并建立控制方程,其区域内压力对空间坐标的导数作为动量方程中的源项,推导出动量源项中的黏性损失系数和内部损失系数,从而建立了模拟刷式封严结构泄漏流动的多孔介质模型。采用FLUENT软件对刷式封严结构的泄漏特性进行数值模拟,并根据试验结果对计算模型进行修正,使计算结果与试验结果比较吻合。用修正的多孔介质模型对刷式封严结构的泄漏流场进行了分析,分析结果具有一定的工程意义     

襟翼表面粗糙度对多段翼型升力的影响

在襟翼上表面填充多孔吸声材料,虽然缝道的噪声有所降低,但翼型升力系数也有较大损失。为了确定是否因多孔材料造成翼面粗糙度增加而降低了升力系数,也为了进一步确定数值模拟中粗糙表面简化模型的适用性,通过风洞试验和数值模拟进行研究。数值模拟采用沿流向三角形凸起模拟吸声材料的粗糙度,采用ANSYS-Fluent的二维模块、非结构网格和k-ωSST湍流模型进行计算。风洞试验在某NF-3低速翼型风洞中完成,采用等弦长的二维测压模型,光滑模型表面是通过在吸声材料上覆盖光滑薄膜实现的。结果表明:可以采用沿流向三角形凸起模拟吸声材料的粗糙度对升力特性的影响;吸声材料的粗糙度影响翼型的升力系数。因此,若通过吸声材料降低缝道流动噪声,需要进一步研究吸声性能好且表面比较光滑的材料/结构。     

烧结多孔结构的渗透和流阻特性研究

为研究粉末冶金多孔结构的渗透性和流阻,以空气和氢气为介质进行了实验.实验显示微孔内流雷诺数低于1时,介质流量与穿过多孔结构的压降呈线性关系;当内流雷诺数高于1时,其流量与压降呈非线性特征.分析表明:传统的堆积床经验关系式将低估氢气和空气在烧结材料微孔中的流阻;相反,高估烧结多孔结构的渗透性能.并用粉末烧结结构的氢气和空气渗透实验数据拟合了多孔结构渗透率及摩擦阻力关联式.      

抽吸孔板的气动实验及附面层抽吸数值模拟

 为了给附面层抽吸提供可靠的抽吸边界条件 ,通过对孔板厚径比t/d =0.1～ 2.67,开孔率ε =6.3%～ 23%的多孔板进行实验 ,建立了附面层抽吸孔板小孔马赫数与孔板前后压差、孔板厚径比、孔板开孔率间的关系。发现随着孔板前后压差的加大 ,小孔马赫数增加 ,当孔板前后压差达到一定值时 ,小孔发生壅塞 ,小孔马赫数不再变化 ,孔内流动达到壅塞状态。与此同时 ,总结出了附面层抽吸孔板小孔马赫数的经验公式。为了进一步检验所得经验式的准确性 ,还用实验所得经验式作为附面层抽吸边界条件 ,对来流马赫数分别为1.98,1.58和 0.8三种情况下的附面层抽吸流场进行了数值模拟。计算结果准确反映了超声来流和亚声来流条件下的附面层抽吸的流动特征 ,抽吸流量与Willis和Syberg的实验结果吻合较好 ,表明给定的附面层抽吸边界条件是正确、可行的。     

简化的积冰热力学模型及其应用

依据飞行器表面液态水凝结过程的热力学理论分析,提出了一种适用于不同环境温度的翼型结冰数值模拟方法.采用中心型有限体积方法求解N-S方程来获得翼型的绕流流场,结合给出的结冰数值模拟方法对两种典型温度下的翼型积冰情况进行了模拟.模拟所得的积冰冰形与文献中的实验数据吻合良好,表明该方法的可行性,并进一步给出了翼型表面的冻结系数分布.     

增升装置微型涡流发生器数值模拟方法研究

 针对数值模拟带微型涡流发生器(VG)的增升装置绕流过程中出现的典型问题,研究相应解决途径.引入面搭接网格技术,避免传统结构网格方法造成的网格数量过大问题;在微型涡流发生器网格上采用特殊边界条件处理以分别对应有/无涡流发生器的状态,排除网格变动对计算结果造成的干扰;研发出了面搭接网格生成技术与特殊边界处理方法结合的求解加装微型涡流发生器的增升装置流动数值模拟方法.研究结果表明:该方法在处理增升装置这类复杂外形、复杂流动问题以及加装涡流发生器的流动控制问题时,具有良好的数值计算精度,能够满足研究需要,为开展涡流发生器精细设计和参数优化的数值模拟研究提供了可靠的技术途径.     

微型涡喷发动机燃烧室设计研究

设计了微型环型燃烧室,并对其燃烧过程进行数值模拟,同时根据模拟结果对燃烧室进行了优化设计及二次计算.计算中入口边界参数采用等熵数值计算结果,喷雾性能参数通过试验获得,考虑了湍流化学反应、热辐射、液滴的蒸发及二次雾化等情况,计算结果可以较为准确地反映燃烧室的实际燃烧情况.对优化设计前后的模拟结果进行比较分析,结果表明优化后的燃烧室设计合理,燃料可以充分燃烧,各项性能参数基本符合设计要求,能够为燃烧室的进一步优化设计提供改进依据.      

两端铰支输流管道固有频率的研究

利用复模态分析方法和Galerkin方法研究了两端铰支输流管横向振动对其固有频率的影响.通过数值方法绘出系统的前两阶固有频率随流体速度的变化情况.利用数值算例分析了复模态分析方法、二阶Galerkin截断和四阶Galerkin截断方法对固有频率的影响.     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。