粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.      

发汗冷却弹头内腔流动的简化计算

 q—热流;L_v—蒸发潜热;ρ—密度;P—压力;T—温度;h—静焓;s—多孔壁表面积;t—时间;ψ—调节系数;（?）—冷却剂流量;m—冷却剂总质量;（?）—渗透率;μ—粘性系数;（?）—弹头头部半径;R—气体常数;H—总焓;M—分子量;z—压缩系数。 下标:ω₁—外壁面值;ω₂—内壁面值;g—气体值;ι—液体值;γ—辐射值;E—冷却剂蒸发组元值;ex—外流值;in—内流值;la—层流值;tur—湍流值;s—驻点值;c—冷却剂值;air—空气值。     

高超声速下表面凸起干扰气动热实验研究

 对高超声速飞行器表面凸起附近的气流流动和气动加热开展了实验研究和分析。实验在高超声速炮风洞中进行,来流马赫数为8.2、单位雷诺数为9.35×10⁶ m^-1。利用薄膜传热测量方法进行了凸起几何形状和边界层状态对干扰流动加热的影响评估。利用流油图谱和纹影摄像法得到了凸起周围的流动特征:若凸起上游边界层未分离,最大峰值热流发生在凸起侧方附近处;若凸起上游边界层完全分离,最大峰值热流通常发生在凸起的上游表面。实验发现最大峰值热流和来流边界层状态关系不大,原因是流动干扰区表现出较强的三维扰动特性,使得来流层流边界层在干扰区内会转变成过渡甚至完全湍流状态。     

粗糙度对压气机叶栅损失特性影响的实验研究

为了研究粗糙度对压气机叶栅损失特性的影响,采用实验方法研究了三种雷诺数条件下表面粗糙度量级和位置对压气机平面叶栅不同攻角下总压损失特性的影响。叶片表面粗糙度通过贴砂纸的方式改变。对每种雷诺数,定量考察了由叶片表面贴砂纸引起的叶片厚度变化对叶栅攻角-损失特性的影响;对整体粗糙叶片,分析了四种粗糙度量级的影响;讨论了叶片表面局部粗糙度位置的影响。研究表明,定量比较损失时需考虑贴砂纸引起的叶片厚度变化,以加厚光滑叶片作为比较基准。粗糙度量级和位置对叶栅损失特性的影响与雷诺数密切相关,其影响趋势和程度在不同攻角范围内表现出明显的差异。高Re数条件下,当无量纲粗糙度k~+≤14.6时,叶栅性能尚可接受,当k~+≥20.1时,可认为叶栅已基本失效。总体上,叶片前缘和吸力面粗糙度对损失变化的影响最大。Re=1.0×105,-0.6°攻角情况下整体和吸力面前部加粗糙度80μm时,总压损失值相比加厚光滑叶片分别降低了17.3%和23.1%。     

完全催化壁驻点高超声速流动加热地面模拟方法研究

在地面高焓风洞中准确模拟高超声速头部驻点区化学反应流动加热,从平衡边界层和冻结边界层驻点气动加热公式出发,分析了离解焓对不同催化特性驻点加热的影响、地面风洞非平衡来流条件下头激波后的流场参数变化规律和与天上飞行条件的差异,分析了壁面催化特性对流场参数的影响,建立了地面高焓风洞模拟完全催化壁驻点气动加热的模拟准则:只要在风洞条件下实现对驻点压力ps、驻点速度梯度βe、来流总焓hs的模拟,则能够复现天上状态的气动热载荷。针对不同半径的飞行器头部驻点开展化学非平衡流场数值模拟进行了验证,表明:地面风洞无法完全模拟飞行器头部绕流流场参数,材料的催化特性对壁面附近流场中的N、O组元和壁面热流影响较大;地面风洞采用半径1∶1的模型模拟完全催化壁驻点加热会偏低于天上状态,而根据三参数模拟准则确定的模型尺寸能够同时复现天上状态驻点区的焓、压力、热流,且随着飞行器头部半径增大头部驻点线近壁面附近的温度、组元N、O梯度与天上会趋于一致。     

临界雷诺数下旋成体头部/后体和非对称涡流动响应间的确定性

 在尖拱形细长旋成体的大迎角（α=40°）流动中通过低速风洞测压实验研究了在临界雷诺数下模型头部扰动、后体粗糙度与非对称涡流动响应的确定性问题。实验雷诺数范围在1.0×10⁵～9.0×10⁵。实验结果分析表明，临界雷诺数下模型头部在不设置人工扰动情况下与非对称涡流动响应具有不确定性；而借鉴亚临界头部扰动与流动响应确定性问题的研究方法在模型头部设置人工扰动，结果显示响应存在确定性。关于后体粗糙度对响应的影响，实验结果表明临界雷诺数下该响应存在确定性。     

原子层热电堆热流传感器在激波风洞试验中的应用

高超声速边界层转捩及激波-边界层干扰等基础气动问题的风洞试验中，高频脉动热流是一重要测试量。为了验证自研的原子层热电堆热流传感器在实际风洞试验环境中的性能，利用尖锥模型在Φ2m激波风洞（FD-14A）内开展来流马赫数10、单位雷诺数4.7×10_⁶ /m等流场条件下的风洞试验，并与高频脉动压力传感器对比，热流测试结果反映出以150kHz为主、具有一定频率带宽的高频脉动热流分量从无到有的全过程，且高频分量相对强度较高；借助标定实验获得原子层热电堆热流传感器的灵敏度系数，通过与薄膜热电阻热流传感器对比以及重复车次中自对比验证了其用于平均热流测试的静态性能，在此试验条件下测试平均热流为7.92kW/m_² ，重复试验车次中测试平均热流为8.32kW/m_² ，重复性良好。由此，原子层热电堆热流传感器的动/静态性能都说明其在激波风洞试验中具有较好的应用潜力。     

定常来流条件下低压涡轮附面层分离流动控制手段的实验研究

高空低雷诺数状态下,低压涡轮吸力面流动分离严重,利用被动控制手段可以有效缓解流动分离,提高叶型效率。为了降低低雷诺数下吸力面的流动分离,实验研究了粗糙度在定常来流条件下对低压涡轮叶型损失及吸力面附面层分离的控制效果。实验依托一台低速叶栅风洞,考察了9种粗糙度控制方案对PACKD-A超高负荷后加载叶型的流动控制效果。实验发现在来流湍流度2.2%,5.0×104~1.6×105的雷诺数测试范围内,覆盖19.5%吸力面弧长范围,粗糙高度(Ra)为20.91μm的粗糙条带是一种最优布置方案。这一优化的流动控制手段可以在一定程度上兼顾降低叶型损失,扩大涡轮叶片正常工作范围的作用。     

一个跨音速风洞的设计和使用

我们将一个实验马赫数范围为0.4至0.9的高亚音速风洞经过扩建后成为一座跨音速风洞, 实验马赫数已扩大到0.3至1.2, 实验段已由半开式改为跨速音孔壁形式, 截面尺寸为530×760毫米, 孔壁开闭比为23%, 扩开全角为0.6°。跨音速实验段孔壁与槽壁的选择, 从消除亚音速洞壁效应来说, 两者相差无几, 从消除激波反射效应考虑, 孔壁明显的优于槽壁, 但孔壁扩开角宜小。孔径与壁厚之比及孔径与实验段高度之比, 对孔壁流动特性和对气流的扰动均有影响。驻室空间的大小对气流中心压力分布的均衡作用, 驻室出口面积与排气引射作用及扩压效率都有密切关系。在音速喷管下游设立一个有效的气流加速区域是建立跨音速流场最关键性的问题, 加速段的长度看来相当于一个实验段高度为宜。跨音速流场调整结果表明, 马赫数小于及等于1.0时在模型实验区域610毫米长度内, 轴向马赫数偏量(△M)/M小于±0.47%,马赫数梯度小于0.006/米。马赫数大于1.0及小于1.15时, (△M)/M小于±0.75%, 马赫数梯度小于0.006/米。马赫数大于1.15及小于1.20时, (△M)/M小于±1.57%, 马赫数梯度小于0.016/米。在实验马赫数范围内气流平均偏斜角Aα小于±0.05°, 因此认为已达到可用的跨音速流场标准[6]。风洞气流紊流度估计不大于0.1%, 总压损失不超过0.24大气压力, 最大流量为100公斤/秒, 以实验段高度530毫米为参考长度的风洞雷诺数R^e范围为3.7×10⁸至8.2×10⁹, 驻点为大气状况。跨音速标准模型实验结果表明, 纵向气动系数测量结果是可靠的, 同美国NACA空对空导弹外形的发射实验和飞机模型的风洞实验数据符合一致。阻力系数C_x偏差量一般在±0.001至0.004之内, 升力系数C_y差量一般在±0.005至0.03之内, 俯仰力矩系数M_z偏差量一般在±0.004至0.015之内, 重复性实验良好, 不重复性值均在±0.002至0.005之内, 因此该风洞可以提供模型实验使用。亚音速洞壁效应已基本上消除, 实验结果毋需进行洞壁干扰修正; 但激波反射效应的消除程度有待进一步研究和实验[7]。今后风洞跨音速性能仍应继续改进,希望马赫数大于1.15以后,流场均匀性(△M)/M不大于1%,最大实验马赫数达到1.22至1.25并消除洞壁激波反射效应,因此应对孔壁和加速段结构形式、扩压效率等给予注意。此外改善风洞天平测量系统的准确性和灵敏性问题随着流场问题的解决就显得更加迫切了。     

无肋双曲线型冷却塔风压分布的全尺寸测量和风洞研究

本文叙述了广东茂名热电厂双曲线型自然通风冷却塔风压分布的风洞实验和全尺寸测量结果。该塔高90米,无塔肋。风洞实验给出了在均匀气流和大气边界层气流中,不同雷诺数和塔面集中粗糙度时的平均风压分布。全尺寸测量给出了雷诺数约为5.4×10~7时无肋塔内外壁面的平均风压分布。文中还讨论了风洞实验时模型表面适当布置粗糙度,可使低雷诺数时的实验结果应用于大雷诺数的问题。     

非烧蚀型防热材料烧蚀性能初步试验研究

介绍了在CARDC等离子体风洞中开展的非烧蚀型防热材料超高温陶瓷（UHTC）的试验研究结果。对Ф20mm平头圆柱体试验模型,采用亚声速驻点试验技术,在驻点热流478W／cm2,气流焓值27．9MJ／kg,环境压力18kPa条件下,分别对代号C（15、10）型、Y型、S（30、15、10）型3种材料模型进行了试验研究,并对模型试验前后的长度变化、质量变化以及模型表面温度进行了测量,初步分析了模型的表观变化、抗氧化特性和表面辐射特性。结果表明：Y型模型试验前后表观变化不大,表面温度达到1930℃;S型模型表面生成一层薄氧化层,稳定情形下模型表面温度达到1964℃;C型模型表面烧蚀严重,模型表面温度达到2462℃,防热性能最差。     

大型煤气柜风荷载的风洞试验及数值模拟

对某大型煤气柜进行了风洞测压试验及风压数值模拟。分析了试验模型表面风压分布及其脉动特性,并同数值计算结果、规范条文中类似断面结构的风压分布作对比。结果表明：风洞试验中由于结构表面分布的工字钢及表面粗糙度的处理,雷诺数效应对表面风压分布影响并不明显,但对表面绕流场分离区的风压值有一定影响。结构的均方根升力、阻力系数在频域表现为宽带谱;采用基于雷诺平均的RNGk-ε湍流模型能较准确地模拟表面平均风压分布,其计算结果同样可为结构抗风设计提供参考;在不同量级雷诺数下数值模拟得到的平均风压分布能反映出雷诺数效应的影响。     

NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验

针对兆瓦级大型风力机,研究发展了以具有更优良高雷诺数和高升力气动性能为特点的NPU-WA翼型族,风洞实验表明,该翼型族达到了在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比和外侧翼型对粗糙度不敏感的主要设计要求,为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内1.0×106～5.0×106的风洞实验数据。     

低速实壁风洞测压实验洞壁干扰修正研究

 本文用壁压信息矩阵法对不同绕流特性的。测压数据进行修正,均获满意结果。 文中证明了洞壁对模型驻点的压力不产生干扰;分析了测压实验洞壁干扰特性与规律,对不同修正公式作了对比;进而说明不能用对速压修正的方法消除洞壁干扰     

超声速飞行器鼻锥空间气动热特性数值研究

采用STAR-CCM+软件,用经过验证的湍流模型和方法,模拟空间(0~46km)环境中鼻锥模型在超声速飞行状态下的气动热特性,讨论了地面高焓风洞与空间飞行环境的区别.主要区别表现在如下3个方面:1要达到一定的滞止点温度,地面高焓风洞热环境依赖于超声速气动热与电弧加热的耦合作用;2在相同滞止温度的工况下,地面高焓风洞实验使得整个鼻锥实验件壁面都暴露在高温气流下,而空间飞行气动热主要集中在滞止点附近;3在相同滞止温度的工况下,空间飞行器的滞止区压力远远低于地面风洞实验压力.数值模拟揭示:相同来流马赫数下,随海拔高度增加,真实空间飞行条件下鼻锥滞止压力持续降低,而滞止温度则先下降然后升高;在同一空间高度下,随着来流马赫数增大,滞止温度和压力均呈抛物性增长,同时激波位置逐渐靠近前缘壁面,滞止区激波层变薄,但当来流马赫数高于4之后这种趋势将不再明显.     

跨音速翼型风洞上下壁干扰及侧壁影响的实验研究

 在西北工业大学跨音速翼型风洞（又名57风洞）中,对弦长分别为50、100、125毫米的三个RAE 104翼型模型进行了压力分布测量。结果表明:当上下壁开闭比选用2％时,风洞的堵塞干扰基本消除。 采用实侧壁、多层网板而不进行抽气及多层网板进行抽气这三种侧壁状态,对RAE 104翼型模型所做实验结果表明:有多层网板而不抽气,使升力系数大大低于无干扰值;在M相似文献   

Experimental investigation of surface roughness effects on flow behavior and heat transfer characteristics for circular microchannels

This paper experimentally investigates the effect of surface roughness on flow and heat transfer characteristics in circular microchannels. All test pieces include 44 identical, parallel circu-lar microchannels with diameters of 0.4 mm and 10 mm in length. The surface roughness of the microchannels is Ra=0.86, 0.92, 1.02 lm, and the Reynolds number ranges from 150 to 2800. Results show that the surface roughness of the circular microchannels has remarkable effects on the performance of flow behavior and heat transfer. It is found that the Poiseuille and Nusselt num-bers are higher when the relative surface roughness is larger. For flow behavior, the friction factor increases consistently with the increasing Reynolds number, and it is larger than the constant the-oretical value for macrochannels. The Reynolds number for the transition from laminar to turbu-lent flow is about 1500, which is lower than the value for macrochannels. For the heat transfer property, Nusselt number also increases with increasing Reynolds number, and larger roughness contributes to higher Nusselt number.     

Experimental investigation on aero-heating of rudder shaft within laminar/turbulent hypersonic boundary layers

The aero-heating of the rudder shaft region of a hypersonic vehicle is very harsh, as the peak heat flux in this region can be even higher than that at the stagnation point. Therefore, studying the aero-heating of the rudder shaft is of great significance for designing the thermal protection system of the hypersonic vehicle. In the wind tunnel test of the aero-heating effect, we find that with the increase of the angle of attack of the lifting body model, the increasement of the heat flux of the rudder shaft is larger under laminar flow conditions than that under turbulent flow conditions. To understand this, we design a wind tunnel experiment to study the effect of laminar/turbulent hypersonic boundary layers on the heat flux of the rudder shaft under the same wind tunnel freestream conditions. The experiment is carried out in the ?2 m shock tunnel(FD-14 A) affiliated to the China Aerodynamics Research and Development Center(CARDC). The laminar boundary layer on the model is triggered to a turbulent one by using vortex generators, which are 2 mm-high diamonds. The aero-heating of the rudder shaft(with the rudder) and the protuberance(without the rudder) are studied in both hypersonic laminar and turbulent boundary layers under the same freestream condition. The nominal Mach numbers are 10 and 12, and the unit Reynolds numbers are2.4 × 10~6 m~(-1) and 2.1 × 10~6 m-1. The angle of attack of the model is 20°, and the deflection angle of the rudder and the protuberance is 10°. The heat flux on the model surface is measured by thin film heat flux sensors, and the heat flux distribution along the center line of the lifting body model suggests that forced transition is achieved in the upstream of the rudder. The test results of the rudder shaft and the protuberance show that the heat flux of the rudder shaft is lower in the turbulent flow than that in the laminar flow, but the heat flux of the protuberance is the other way around,i.e., lower in the laminar flow than in the turbulent flow. The wind tunnel test results is also validated by numerical simulations. Our analysis suggests that this phenomenon is due to the difference of boundary layer velocities caused by different thickness of boundary layer between laminar and turbulent flows, as well as the restricted flow within the rudder gap. When the turbulent boundary layer is more than three times thicker than that of the laminar boundary layer, the heat flux of the rudder shaft under the laminar flow condition is higher than that under the turbulent flow condition. Discovery of this phenomenon has great importance for guiding the design of the thermal protection system for the rudder shaft of hypersonic vehicles.     

高超飞行器进气道/内流道流动特性试验

用Ma∞=7风洞试验的方法研究了一种吸气式高超声速飞行器二维进气道/内流道的流场特征与起动特性.试验结果表明:在来流总压0.5～1.9 MPa、单位雷诺数2.48×106～7>.95×106范围内,进气道起动的前提下,进气道/内流道沿程压力分布受来流总压、雷诺数的影响变化很小;在进气道外压缩段流动未受干扰前进气道隔离段最大可承受反压约为250倍自由来流压力;未加侧板时该进气道具有自起动能力,加侧板后隔离段出口压力有所增加;在设计点工况,该进气道增压比42.9,总压恢复0.27,出口马赫数2.76.