近壁湍流中微小非球形颗粒取向行为研究综述

本文回顾了近十年关于微小非球形颗粒在壁湍流中取向行为的数值研究进展,重点介绍了数值方法和物理机理方面的发现.由于壁面的存在,在近壁面区域存在较强的平均剪切以及复杂的湍流结构,使得壁面的湍流具有较强的各向异性特点.前期研究发现杆状颗粒在壁面附近会倾向性地朝着流向方向,而碟状颗粒会倾向于朝着壁面法向,且这种倾向性取向行为会随着颗粒形状偏离球形的程度的增加而增强.同时,研究发现颗粒的倾向性取向行为与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向具有较强相关性.但是,颗粒的取向与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向在壁面附近的相关性要弱于其在远离壁面的槽道中部或均匀各向同性湍流的相关性,且存在较明显的形状敏感性.前期工作以杆状颗粒为例分析了其相对于拉格朗日坐标系(由左柯西格林张量三个主轴方向确定)的概率密度分布的特点,并进一步阐释颗粒行为与拉格朗日的拉伸与压缩方向的差异.同时,基于壁面湍流的特点,建立了以平均剪切与速度梯度脉动之比的颗粒转动周期预测的二维简化模型,并进一步揭示了平均剪切与速度梯度脉动在颗粒取向行为趋近于拉格朗日拉伸与压缩方向过程中的重要作用.     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

壁面约束下椭球颗粒曳力特性研究

颗粒两相流系统广泛存在于自然界和工程应用中,实际颗粒往往并非球形且受其附近壁面的影响。基于欧拉-拉格朗日方法的颗粒两相流数值模拟已成为非球形颗粒两相流系统设计的重要工具,然而其准确性受限于非球形颗粒曳力模型。因此,深入研究壁面约束下非球形颗粒曳力特性并发展近壁修正预测模型具有重要意义。本文采用直接数值模拟方法对有限雷诺数（0.5≤Re≤10）下,不同颗粒长轴取向与来流之间的夹角以及颗粒-壁面间距的单椭球颗粒曳力特性开展详细数值研究,分析比较不同工况下曳力系数的变化,探明雷诺数、攻角以及壁面间距对椭球颗粒曳力系数的影响规律,并评估现有自由流中椭球颗粒曳力关系式的适用性,最后发展了考虑近壁修正的椭球颗粒曳力预测模型,为优化非球形颗粒两相流数值模拟工具提供重要支撑。     

用双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟混合层流动

将考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型加入到二阶矩两相湍流模型中,模拟了平面混合层两相流动.结果表明,考虑壁面粗糙度的模型的模拟结果与不考虑的结果相比,给出的纵向平均速度更小、纵向脉动速度更大,与实验值更接近.对于大颗粒,这种影响尤其明显.这些趋势与颗粒轨道模型的模拟结果定性上一致.这表明,窄通道内大颗粒和壁面的碰撞对颗粒流动特性有更显著的影响.     

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

用双流体—轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧

目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。主采用双流体－轨道模型（颗粒相连续介质－轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU－Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散－动力模型等。热态模拟中，为了减小为信散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方程一致）。为了检验数值模拟，采用三维相位移普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。分别对冷态模炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的，热态模拟的结果给两相速度，气相温度、组分浓度及壁面热，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。     

非球形粒子反弹分布特性试验探究

砂粒撞击发动机进气粒子分离器壁面会决定粒子的运动轨迹。为了获得不规则形状对反弹特性的影响,进行了600μm钢珠及600~800μm非球形石英颗粒撞击树脂涂层板/合金钢板/铝板的试验,并分析了统计分布规律。试验结果表明,球形颗粒的恢复系数较为集中,而非球形的石英粒子在相同角度下的恢复系数大致符合高斯分布。切向恢复系数分布则随着撞击角度增加变得更加集中,标准差在撞击角为10°时可达0.28。法向恢复系数趋势相反,标准差在70°时为0.38。法向恢复系数小于0的概率为0,且呈正偏态分布。不同材料壁面的恢复系数相对分布范围主要受粗糙度影响,但对于法向恢复系数,还受到法向分量引起的变形的影响。     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

惯性颗粒和壁湍流的相互作用:湍流调制及颗粒分布

直接数值模拟壁面湍流与惯性点粒子方法被用来研究粒子对湍流的调制机理以及粒子在湍流场中的分布.由于在壁面湍流中,内层(约为y+<100,y+为黏性尺度下的壁面垂直方向坐标)与外层(约为y+>100)中存在着两种特征结构,即内层中的大尺度结构(large-scale structures,LSMs)与外层中的超大尺度结构(very-large-scale structures,VLSMs),这两种特征结构控制着壁面湍流的动力学过程.因此研究方向主要是探究粒子与LSMs以及VLSMs之间的相互作用:即通过研究粒子惯性效应对LSMs主导的湍流内层自维持过程来解释不同惯性的粒子导致湍流增强或减弱的原因;通过研究粒子惯性效应对VLSMs主导的湍流外层的调制,提出粒子的惯性效应导致VLSMs增强的直接与间接机理.同时,通过人为控制LSMs和VLSMs与粒子分别耦合来研究这两种特征结构的存在导致的粒子聚集与群聚行为.最后,推导了惯性粒子沉积速度的控制方程,用于分析控制粒子沉积速度的关键因素.     

四阶微分方程两点边值问题解的存在唯一性

讨论了非线性四阶常微分方程y（4）=f（x,y,y’,y”,y”’）在混合两点边值条件y’（a）=0,y”（a）＋y”（6）=0,y（b）=0,y”’（b）=0或y’（a）=0,y”＇（a）＋y＇”（b）=0,y（b）=0,y”（6）=0下,解的存在唯一性。其中f在[a,b]×R4上连续且满足Lipschitz条件。并在推广后的Lipschitz条件与Banach压缩映射原理基础上,得到一些新的存在唯一性结果。     

三维设计思想在子午流道大扩张角条件下的应用

根据三维设计思想,提出了针对子午流道大扩张角条件下涡轮导向叶栅的设计思想.研究结果表明:在子午流道的设计上,采用减小内端壁扩张角及加大外端壁扩张角的方式,可有效保证内端壁附近气流的抗分离能力,并且导向叶片采用正倾斜设计,以降低通道涡的径向迁移,从而减小或消除导叶尖部气流的分离,增加尖部附近气流的抗分离能力,达到减少损失的目的.该方法现已在某航空发动机高性能低压涡轮气动设计中进行了成功的应用和验证.      

不同叶尖间隙下的涡轮转子出口 三维流场测量

采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口的三维时均流场.结果表明转子出口参数均呈现明显的周期特性.叶尖间隙对转子出口流动品质有较大影响;间隙大时,泄漏流显著,对应的机匣二次流动较弱;间隙小时,机匣附近的二次流动较强.泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;泄漏流导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流,增大间隙,膨胀比变小,涡轮做功能力下降.      

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

一类具有时滞的细胞繁殖模型的正周期解的存在性

研究了一类血红细胞生存模型的时滞微分方程y（t）=-a（t）y（t）＋6（t）e^-r（t）y（r-τ（t））,t≥0的正周期解的存在性,给出其存在的充分条件。     

激波抛撒水膜成雾参数实验研究

使用激光相位多普勒粒子测速系统对激波抛撒水膜形成的云团进行了观测,得到激波抛撒水膜形成的云雾中液滴速率和尺寸参数。结果表明：不同厚度水膜在同等强度激波的作用下抛撒,破碎产生的液滴轴向速率和尺寸以及形成云团的高度都随水膜厚度的增加呈“W”形变化。不同厚度水膜其破碎液滴轴向运动速率存在显著差异。而径向运动速率差距不大。结果说明,在激波作用初期,激波驱动力起着关键作用．随着抛撒距离的增加．液滴的蘑力及在气流中所受摩擦阻力的影响越大。液膜厚度越小,透射激波越强,液膜被抛撒的范围越大。形成云团的直径随着液滴的径向速率增加而变大。     

基于舰船摇摆载荷的推进剂粘接界面疲劳损伤模型

以某固体火箭发动机为例,建立了舰船摇摆载荷作用下发动机药柱粘接界面的疲劳损伤模型。通过推进剂粘接界面定应力往复剪切试验获得了界面的疲劳损伤S-N曲线;选取残余应变为损伤变量,并根据试验数据建立了推进剂粘接界面的疲劳损伤演化模型。试验及研究结果表明,推进剂粘接界面应力幅值和疲劳破坏次数的自然对数满足方程Y=0.748exp(-X/5.663)-0.0261。推进剂粘接界面在舰船摇摆载荷作用下的疲劳损伤量与循环加载比满足方程D=0.1517(1-exp(-β/0.0386))+0.8483(1-(1-β)1.1)。     

两车速度对超车过程轿车气动特性影响的研究

利用动网格技术对超车过程中两种相对速度下车辆周围非定常流场进行了数值模拟,得到超车车辆和被超车辆受到的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩在超车过程中的变化情况,并根据两种速度情况下的流场特性,分析其对气动力特性的影响。计算结果表明：超车速度越大,被超车辆最大侧向力、侧倾力矩和横摆力矩越大;超车车辆最大侧向力、侧倾力矩越大,横摆力矩越小。     

可压稀相两相流场的数值模拟

针对可压两相流动，在阻力系数中考虑了可压缩性及颗粒聚积所造成的影响，用TVD格式对沙层，平板及JPL喷管内的气固稀相两相流进行了数值模拟，所获结果和已有的实验数据及有关文献吻合很好，在JPL喷管中，随着质量分数的增加，由于气体和颗粒间的相互作用逐渐增强，气相的温度增大，马赫数减小，但压力变化很小，而随着颗粒直径的增加，气相轴线上的温度减小。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱。