基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡，加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构，并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明，对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构，两者构成近似等强度的同转涡对，在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明，翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大，随雷诺数的增加而增大，随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析，不同工况下，上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致，表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数，发现模态P切向波数逐渐增加；而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下，模态P的切向波数为5~6，扰动波数分布在[2.75，5]的区间内，所对应的不稳定放大率均大于模态S，而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域，表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值，也意味着加装小翼会增加涡结构的个数，增强不稳定性的发展，有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

针对宽速域飞行器产生的翼尖涡及其与斜激波相互作用问题,采用数值模拟方法,在来流马赫数0.2～6.0范围内,研究了翼尖涡的演化特性,并探讨了斜激波诱导翼尖涡破碎的机理。结果表明,在宽速域范围,翼尖涡的切向速度和环量分布仍然符合低速流动中的自相似关系式;在超声速至高超声速流动中,翼尖涡强度沿流向更快地减弱;当翼尖涡与斜激波相互作用时,涡核处压力越低的翼尖涡更容易破碎,而经典的涡破碎理论难以在宽速域范围内准确预测涡破碎现象;通过引入涡核处的压力亏损效应修正经典理论,大幅提升了预测斜激波诱导翼尖涡破碎的能力。     

Kármán涡街中旋涡三维变形的初步研究

本文用涡动力学及LIA方法作为基本理论模型,数值研究了尾迹中孤立涡和细涡丝的三维演化规律。结果表明,圆柱分离尾迹中的旋涡存在三维不稳定性。卡门涡在尾迹平均流场中演化产生三维的类似于马蹄形-勺子形的流场结构。细涡丝在涡辫区的三维演化形成趋向流场最大拉伸变形方向的流向涡结构。     

局部抽吸对边界层流动稳定性的影响和控制研究

在边界层壁面上,设计局部抽吸结构,采用直接数值模拟的方法,获得稳定的三维基本流.在此基础上,研究稳定及最不稳定的二维扰动T-S波的时、空演化机制;进一步探讨了局部抽吸的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化影响及其对增长率的贡献大小.结果表明,局部抽吸结构诱导产生的三维基本流是扰动波得以快速增长的一个关键性因素,这是由于平均流剖面的改变及展向速度的出现,增强了流体运动中的不稳定性、扩大了中性曲线的不稳定区域范围.在最不稳定的二维扰动T-S波的非线性演化过程中,由于非线性作用的不断增强,逐渐激发产生出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;同时展向速度的大小对二维扰动波的增长、流动的失稳、流向涡的形成等方面都起着激励的作用.随着时、空的不断发展和非线性作用的迅速加强,正、负相间的流向涡逐渐形成,强度逐渐增大,流向涡的影响区域也在不断扩大,涡的形状逐渐拉伸变长,并出现强的剪切层,流动开始失稳等其它机制;这些结论与文献[4、5]的结果相吻合.     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

剪切翼尖对机翼气动效能影响研究

尖切翼尖作为一种重要的翼尖装置,由于实现简单,能有效得减小机翼得诱导阻力且对飞机的其它性能影响小,而受到广泛的应用.基于数值模拟结果对尖切翼尖的前缘后掠角及根梢比对机翼气动性能的影响进行了对比研究.给出了前缘后掠角和根梢比对气动性能的影响规律,并通过分析涡位置和强度的变化,得出涡位置及强度和气动性能的关系.     

跨声速压气机转子近失速工况非定常流动及相关机理研究

为了探究近失速工况下,跨声速压气机转子中非定常流动及相关流动机制,采用多通道全三维数值模拟方法对跨声速转子其内部流场进行了数值模拟,并利用已有的实验数据对计算结果进行了校核。对近失速工况探针监测结果的分析表明:流场中出现了非定常扰动,且扰动最活跃的区域位于近叶尖通道靠近叶片前缘的压力面侧;随着流量的降低,非定常扰动的幅值增大,波动周期变长。对近叶尖瞬态流场的分析表明:流场中的一个不同于泄漏涡的涡结构(命名为叶尖二次涡)的出现及其沿流向的发展诱发了非定常静压扰动,而且其强度随着流量的降低而增强,由此导致了非定常扰动的周期变长,振幅增加。伴随着叶尖二次涡强度的增加,叶顶通道的阻塞以及由叶尖二次涡诱发的“前缘溢流”也随之增强。因此,叶尖二次涡的出现及其强度的变化是影响该跨声速转子流动稳定性的主要因素之一。     

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(PartⅠ横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性.重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构.研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P S和2S模态甚至是2P S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化.     

双圆柱绕流诱发振动的数值模拟(Part I横向振动)

采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法数值模拟圆柱在尾流中的流体诱发振动特性。重点分析了圆柱的动力学响应特性,包括升阻力、位移振幅、拍和锁定等现象;另外也详细分析了圆柱的尾涡结构。研究结果表明,在串列下,大质量比时,圆柱的振动会受到抑制,小质量比时,圆柱的振动则会被放大;较之孤立柱的情形,圆柱共振发生在低于且接近于1.0的频率比带内且不易随质量比的变化发生偏移;小质量比下圆柱振幅及共振带都要比大质量比下的大得多;不同频率比和间距比下,圆柱的动力学特性存在明显的差异,相应的涡脱落模态呈现出2P、P+S和2S模态甚至是2P+S模态,各种模态之间互相竞争促进流固耦合的不断变化发展,导致涡间距和涡街宽度的变化。     

展向具有谐波型扰动的方柱旋涡分离流数值研究

基于Fourier谱方法和有限差分的混合方法,对方型截面柱体的分离流及非定常涡动力学进行数值研究,特别是展向具有谐波型几何扰动对流动演化及受力变化的影响.结果表明,当Re＝100～150,在未引入扰动的柱体上/下表面处(而非前缘)流动发生局部分离,并形成分离泡.流动分离点随Re数增加是逐渐从后缘前移到前缘附近.沿展向引入扰动后,当Re＝100时,在柱体表面产生流向与垂向涡量,甚至抑制了展向涡的发展.当波陡度(波高/波长)为0.167时,产生了类似于发夹涡的结构,此时柱体平均阻力系数和升力系数幅值分别减小了9%和98%.并讨论了相关的机制.     

流向涡-面干扰流动特征

旋涡与物面相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中,旋涡改变了物面的压力分布,物面影响了旋涡的空间演化,进而影响飞行器的气动特性。针对流向涡与物面相互作用过程中的流动压力特征关系开展研究。采用风洞试验手段,获取旋涡流动结构的空间演化规律及物面压力载荷分布特征。结果表明:流向涡在作用过程中不仅会发生展向位移,而且会发生法向离面位移。试验参数范围内,入射高度降低0.1c,展向位移最大量增加0.3c,法向位移最大量增加0.02c。物面受旋涡影响出现集中的条带状低压分布以及"双峰形"压力脉动集中区。物面压力特征变化可为后续开展涡-面流动模型重构研究提供试验支撑。     

二维弹性圆柱涡致振动的尾涡模态

对均匀来流情况下Re数为200的二维单自由度弹性支撑圆柱涡致振动问题进行了数值模拟。采用时空有限元方法求解二维不可压N-S方程,利用新型显示积分方法求解圆柱振动方程,并用弹簧动网格技术实现网格更新。针对低折合阻尼比涡致振动,分析了不同圆柱自振频率下升力系数、阻力系数以及圆柱位移等参数的变化趋势,成功地捕捉了"锁定"、"拍"和"相位转换"等现象。讨论了圆柱脱落尾涡模态随时间的演变,观测到新的2P+2S尾涡模态,当圆柱振动幅值最大时,尾涡在下游不同位置可能出现2S、2P+2S和2P模态。     

平板边界层壁面局部脉冲激发大涡结构起因的数值模拟

构建了边界层壁面局部脉冲扰动诱导大涡结构的初始理论模型,采用直接数值模拟的方法,研究了边界层壁面局部脉冲激发大涡结构起因的问题.计算结果表明:局部脉冲激发大涡结构成因的许多特点,如幅值演化、雷诺切应力功率、高低速条纹结构、流向涡的产生、上喷和下扫过程、平均速度剖面存在的拐点和严重扭曲以及类似于发卡涡的特征等现象与实验结果和某些数值结果非常相似;另外,壁面局部脉冲的强度、影响区域、加载时间、分布方式对边界层流中大涡结构起因的特性起着决定性的作用,壁面脉冲也是边界层流中激发大涡结构的重要途径之一.     

亚声速等膨胀方管射流轴置换现象的数值研究

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度WENO/TCD混合格式,对Ma=0.6的亚声速等膨胀方管射流的初始流场进行了数值研究。数值结果清晰地描述了初始主涡环的形成与三维演变过程。方管射流具有平面管与圆管射流的一般流场特征,但方管周向曲率的不一致导致轴向流动速度不均匀,使方形主涡环出现复杂的Biot-Savart自诱导变形,并在方形涡环截面上诱导形成4对反向流向涡对。在主涡环的Biot-Savart自诱导变形与流向涡对的诱导速度共同作用下致使主涡环截面形状相对于初始时旋转45°,完成轴置换。另外,在亚声速等膨胀射流中,流向涡对的诱导速度在轴置换中占主要作用。     

襟翼翼尖涡控制飞机尾流机制实验研究

为了研究襟翼小涡与主翼尖涡相交不稳定性触发条件,采用矩形机翼模型产生一对翼尖涡,同时在机翼上安装不同宽度及攻角的襟翼,对35个翼展下诱发R-L(Rayleigh-Ludwig)不稳定性的最佳涡系参数组合进行了研究。结果表明:通过水槽流动显示实验发现,单主翼尾涡在第35个翼展处未发生明显变化,能量衰减缓慢;加装襟翼后尾流不稳定性被触发,衰减效果明显,在一定范围内尾涡能量衰减值随着襟翼攻角的增大而增大;环量统计半径Rd=50mm时,对主翼尖涡环量进行PIV(Particle Image Velocimetry)分析时发现,当主翼攻角α=8°,襟翼攻角β=28°,襟翼宽度b=55mm,来流速度V=0.5m/s时尾涡能量消散最快,主翼尖涡环量在第35个翼展时衰减为第一个翼展的28%;证实通过安装合适的襟翼可以有效地控制飞机尾流,加速其破裂和消散。     

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。     

消除小展弦比尾舵大舵偏非对称流动现象的方法研究

在前期的风洞试验结果中已经证实,跨声速条件下,俯仰舵偏角增大到一定程度时,呈开口布局的一对尾舵形成的翼尖涡会相互干扰,使得两侧的翼尖涡强度不同,形成非对称流动现象,进而使全弹产生较大的横侧向气动力,对尾舵的控制能力提出了挑战,需要开展消除非对称流动的方法研究。本文基于数值模拟方法对非对称流场随舵偏角的变化进行了研究,并对该非对称流动现象产生的机理进行了分析,基于此,在保持舵面效率不降低的情况下开展了消除非对称流动现象的方法研究。研究结果表明,随着舵偏角的增加,呈开口布局一对尾舵的翼尖涡距离逐渐减小,翼尖涡由弱的不对称性,逐渐发展直到其中的一侧翼尖涡消失,研究结果还表明通过尾舵前缘局部切角和降低尾舵根弦长的方法在保持尾舵效率不降低的情况下,能够有效消除非对称流动现象,对类似布局设计具有指导意义。