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.      

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

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.      

基于非线性耦合本构关系的改进边界条件

非线性耦合本构关系（NCCR）模型是在Eu的广义流体动力学方程（GHE）基础上,通过绝热假设、Eu封闭和Myong简化推导出的关于非守恒量（黏性应力与热流）的非线性代数方程,有效拓展了线性的纳维-斯托克斯-傅里叶（NSF）本构模型在非平衡流动中的模拟能力,为快速准确模拟连续与稀薄耦合流动问题提供了强有力的理论工具。针对该模型开展滑移边界条件研究,结合努森层内物理量非线性分布的特点,提出一套在物面处与模型精度相一致的非线性修正滑移边界条件。在有限体积框架下,采用AUSMPW⁺格式和LU-SGS方法以及NCCR的完整耦合求解算法,对不同稀薄程度的高超声速单原子氩气圆柱绕流和平板绕流问题进行数值模拟。研究结果表明,基于NCCR模型的修正边界条件准确刻画出物面努森层内流动的非线性特点,有效提高了固壁滑移边界的精度。采用非线性修正边界的NCCR模型准确预测了连续流、滑移流和过渡流域的物面压力、摩阻与热流系数。     

竖直平板Blasius流层流边界层流动与传热耦合解

对考虑辐射传热、流体黏度随温度变化、有和无滑移边界条件下的可渗透竖直平板Blasius流层流边界层的无量纲速度场与温度场进行了深入研究.经相似变换将描述速度场与温度场耦合的偏微分方程组转换成非线性常微分方程组,用Runge-Kutta法对常微分方程组进行了数值求解.研究了无量纲参数对无量纲速度场及温度场的影响,着重分析了滑移边界条件下速度和温度随无量纲参数的变化规律.结果表明:吸入时边界层变薄,喷注时边界层加厚;对比于无滑移边界条件,滑移边界条件下速度、温度边界层变薄;随着变黏度参数a或喷注与吸入参数的增大,壁面摩擦因数、局部努塞尔数Nu增大,速度和温度边界层变薄;随着普朗特数Pr、热辐射参数R的增加,或毕渥数Bi,布林克曼数Br的减小, 温度边界层变薄.      

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。     

Numerical analysis of the coefficients of temperature restitution and heat transfer in a turbulent dispersed flow

A technique is proposed and the results of the numerical investigation of the coefficients of temperature restitution and heat transfer on the surface streamlined by a turbulent dispersed flow are presented. The calculation data given involve that the coefficients of temperature restitution and heat transfer of the dispersed flow are significantly dependent on the nature of relative phase motion (with or without directional transverse particle displacement in the boundary layer), on the phase slip coefficients, and on the intensity of internal sources of heat and momentum in the boundary layer of the carrying medium.     

来流湍流度对超高负荷低压涡轮附面层流动控制手段的影响

实验研究了表面粗糙度耦合上游尾迹的流动控制技术,分析了来流湍流度（FSTI）在流动控制过程中对叶片吸力面附面层分离、转捩特性的影响.实验发现:在速度峰值点至分离点之间布置粗糙高度与弦长之比为1.05×10-4的粗糙条带可以在来流湍流度为0.4%与2.2%的低雷诺数范围内降低叶型损失.在雷诺数为85000的状态下,FSTI影响了尾迹通过区、尾迹诱导转捩区及自然转捩区的附面层动量厚度,造成了叶型损失的差异,但FSTI对抑制区的影响较小.      

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

基于数值模拟的流场附面层边缘识别方法

附面层边缘通常取在速度达到主流速度0.99倍的位置,而复杂流场中主流流动往往并不均匀,给附面层边缘的准确识别造成了困难。为解决此问题,提出了用"参考主流"代替实际主流识别附面层边缘的方法:通过零剪切力滑移壁面边界条件下数值模拟得到不受附面层干扰的参考主流,在根据附面层定义确定附面层边缘时以该参考主流中的速度代替实际的主流速度。通过斜楔压缩和弯曲压缩两个超声速压缩流场对该识别方法进行了验证,所得到的斜楔压缩出口截面上附面层厚度与采用实际主流速度判断得到的厚度相对误差仅4.1%。根据该方法的识别结果对弯曲压缩型面设计进行附面层修正后,弯曲激波高度与无黏设计值之间的误差从修正前的2.0%降低至0.3%,压缩面末端压力的相对误差从修正前的6.6%降低至2.3%。该方法避免了指定主流速度的主观性,识别结果较为准确。     

一维非定常流的气体格子模型

本文研究气体格子模型的一维流动。阐述一般的简单气体格子族。利用2-速度系数模型研究了激波的形成、反射以及相互干扰。计入了不同的初始条件和边界条件。一维气体格子模型考虑了可压缩性和二维、三维模型的基本特性。     

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

气冷叶片表面局部对流换热系数的数值计算

本文提出了联立求解二维可压缩边界层方程组和稳定导热方程的迭代法,从而修正了文献[1]假定物体表面温度等于来流总温的局限;同时提供了用这种方法计算气冷叶片表面局部对流换热系数的完整的FORTRAN程序。文中用近似积分法求解边界层方程组,用有限元素法计算叶片的稳定温度场。算例的结果与有关的理论及实验结果相接近。     

航空煤油泵轴尾机械密封副材料特性

为选择适合在航空煤油介质中工作的机械密封副材料,对材料的摩擦特性进行了研究,利用摩擦磨损试验机得到不同工况条件与表面粗糙度下材料的摩擦因数、温升,在原子力显微镜(AFM)下对3组典型配对材料的微观磨损形貌进行观测,分析磨粒磨损和黏着磨损的行为差异,计算磨损的关键参数。研究发现:聚四氟乙烯（PTFE)在既定条件下为性能最佳的软材料;硬材料表面粗糙度值为0.05时的摩擦性能最佳,不同硬材料间性能差异不大。研究发现PTFE在配磨材料上产生的犁沟效应最轻微,黏附的元素颗粒最少;黏着磨损会造成表面高度分布函数的偏移,利用离散化求解公式得到了黏着体积与平均黏着厚度。      

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

用子波系数概率密度函数研究湍流多尺度结构的间歇性

用热线风速仪在充分发展平板湍流边界层中测量流向速度信号的时间序列并进行湍流多尺度结构统计特性的实验研究。用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量风洞中平板湍流边界层不同法向位置的流向速度分量的时间序列信号,用子波分析对湍流脉动速度信号进行多尺度分解,将推广的自相似性(ESS)应用于子波分析。用子波系数的概率密度函数验证了多尺度相干结构对间歇性的影响,并证明与距壁面距离有关。对比研究了提取湍流边界层多尺度相干结构前后湍流多尺度结构函数间歇性的变化规律及概率密度函数的变化规律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因。当这些相干结构被分离出后,由子波系数计算的ESS标度律就回到K olm ogorov线性标度律,这一现象在整个湍流边界层都是很明显的。      

发动机舱内部传热和蒙皮的降温规律

建立了简化的发动机舱物理模型,对通风冷却和辐射遮挡的蒙皮降温效果进行了数值模拟和实验研究,并对发动机舱内部传热规律进行了分析.结果表明:数值计算得到的发动机舱蒙皮表面沿程分布与实验结果吻合良好.在加热壁面分段的热边界条件下,无辐射遮挡且无通风时蒙皮内侧表面接受的热流占热壁面加热热流的比值约为78%,当发动机舱通风速度达到1m/s时该比值降至20%;当通风速度从0m/s增大至3.5m/s时,发动机舱蒙皮峰值温度的降幅约为10%;无通风条件下有辐射遮挡的蒙皮峰值温度相对于无辐射遮挡的情形降幅约为6%;在通风冷却和辐射遮挡的综合作用下,蒙皮峰值温度相对于无通风且无辐射遮挡的基准状况可降低约50K,相对降幅约为14%.      

横肋粗糙元地表的风场阻力特征研究

使用雷诺应力模型(RSM)模拟横肋粗糙元地表的风场，将粗糙元横截面的高宽比 h/b、粗糙元间距宽度比w/b 以及间距高度比 w/h 作为粗糙表面的特征参数，利用数值方法定量研究了粗糙表面阻力随粗糙元密度的变化规律以及粗糙元横截面尺寸改变对阻力的影响。研究结果表明：粗糙元横截面尺寸改变不影响粗糙表面阻力随粗糙元分布密度的变化规律，粗糙元的间距高度比 w/h 是横肋粗糙表面的关键特征参数，且粗糙表面的平均总阻力在 w/h=7时取得最大值。     

动能BGK算法在近连续流模拟中的应用

首先比较详细地介绍了动能BGK算法的基本思想,然后应用该算法,数值模拟了克努森数(Knudsen number)为0.0001～1.56,马赫数为1.96绕圆柱的二维粘性流动,研究了滑移边界条件和无滑移边界条件对圆柱阻力的影响,通过与实验结果[5]进行比较,验证了文献[1]关于由连续流到自由分子流的这种流动模型的划分.计算结果表明:采用滑移边界条件,直到克努森数为0.3,计算得到的阻力与实验都符合得很好.因此,采用BGK算法加滑移边界条件,能够模拟由连续流到近连续区的流动.