流动显示技术及其在流体力学研究中的应用

本文概要地介绍流体力学研究中常用的流(?)显示技术及其发展状况。对流动(5)显示在研究表面流态和空间流(?)特征方面的作用,做了简要说明。在强调常规流(?)显示技术解决飞行器设计中气(?)问题重要性的同时,介绍了几种发展中的流(?)显示方法,及其与现代光学、计算机图象处理技术相结合,在流体力学实验中的广阔应用前景。对当前普遍有兴趣的剪切层结构、分离流与旋涡、激波边界层相互干扰、非定常流,以及大攻角情况下复杂流场特性等流(?)显示问题,也做了一些探讨。     

区域分裂法在湍流流场数值解中的研究

应用区域分裂算法(简称DDM)对湍流流场进行数值研究。对湍流流动控制方程建立一种通用的DDM-1计算格式S_{I,ω,给出重叠区域内变量处理方法。DDM-1的SI,ω计算格式的适用性由突扩圆管分离流流场数值计算所验证,数值计算结果与实验数据比较表明:采用SI,ω计算格式所预测的再附点位置及平均轴向速度、湍动能强度比在整个计算区域内采用单一模型的方法能够更好地与实验值吻合。}      

用空间推进法求解钝锥三维粘性绕流

本文将文献〔１〕中提出的方法推广应用于三维可压缩Ｎ－Ｓ方程，方中给出了钝锥超声速三维粘性绕流的结果。得到了背风面分离的流动图画，计算结果与实验相吻合。     

航天飞机简化模型的低速流型及其三维分离特性研究

本文系统研究了航天飞机简化模型在迎角0°～50°范围内低速绕流中的不同分离流型。通过油流实验观察到在机翼背风面上呈现的六种流谱形态,机身上呈现的四种流谱形态。实验中在机身上还呈现出一类新的分离形态,其分离线起始于鞍点,但又无禁区性特点。为了对该类分离形态合理归类,文内详细讨论了开式分离和闭式分离在各种流动特性上的差异。在此基础上按其流动特性,将这类新型的分离形态归入闭式分离,并称其为第二类闭式分离。     

介质阻挡放电等离子体对翼型流动分离控制的实验研究

在低速开口风洞中进行了等离子体激励器对NACA0015翼型流动分离控制的实验研究。采用PIV技术,对翼型绕流流场进行了测量,显示了施加等离子体激励后流场的变化。通过五分量天平对升力和阻力的测量,研究了激励电压和激励频率对翼型流动分离控制的规律。研究表明,低风速下在翼型前缘施加等离子体激励,能够有效地控制翼型流动分离,在来流为20m／s时,最大升力系数增加11％,失速迎角增加6°;在给定的流动状态下,激励电压和激励频率存在一个阈值,不同迎角下该阈值不同,迎角越大,分离越严重,对激励强度的要求也越高。     

用粘流—无粘流相互作用方法计算翼型的分离和失速

本文用势流－边界层相互作用方法计算低速翼型的分离和失速。势流用对称面元法。边界层用改进的滞后掺混法，考虑了高阶项影响，适用于计算分离。文中对粘流－无粘流耦合方法作了改进，改进的半反－局部联立耦合方法。考虑了相邻点之间的作用，收敛性较好。计算了ＮＡＣＡ４４１２翼型在不同迎角下的压力分布和气动力。计算结果与实验符合良好，算例表明，翼型高升力状态计算必须包括尾流的作用，也应用对势流计算压力与实际压力之间     

利用流线法决定绕扁长椭球流动分离的位置

本文按照流线法把所测量的扁长椭球的压力分布用于决定涡层型三维流动分离,按边界层边缘处流线会聚的位置近似地决定分离线的位置。作为算例,计算了扁长椭球体在α=30°状态下的绕流,并在水洞中作了流场显示,数值结果和实验结果的对比表明,二者十分一致。分析表明,涡层型分离不仅与壁面极限流线的收敛有关,而且还与边界层边缘处流线会聚有关,前者的出现并不是引起涡层型流动分离的充要条件。     

小波方法检测角区湍流的流动结构

本文采用热线、压力传感器和PIV方法对中等雷诺数下角区湍流流动进行了实验测量。设计了基于小波变换的一种湍流场特征结构检测方法，辨识出了角区湍流的分离涡结构及其尺度。这些涡结构的发展揭示了角区马蹄涡系运动在低雷诺数下所展示的物理过程在中等雷诺数或充分发展湍流状态下仍然存在。同时，这种湍流流动结构的小波检测方法也显示出了其有效性。     

角区分离对声激励响应的初步研究

对一小展弦比扩压器内的分离流的声激励控制进行了实验研究, 并对此类声控的机理进行了初步探索。实验结果表明用外部声激励的方法可以控制小展弦比扩压器内的复杂分离流动;声控分离的效果依赖于激励强度和频率, 而对激励位置并不敏感。介于未分离区和分离区间之间的分离过渡区中的湍流脉动模式决定了所观察到的非定常湍流分离的基本结构。在激励声波的作用下, 角区旋涡被其调制加强, 使过渡区的湍流脉动模式发生了很大的变化, 加强了向分离区的能量输运, 推迟角区旋涡在扩压器内逆压递度作用下卷起, 因而削弱了大尺度的分离流动。      

弦向缝隙叶栅对边界层分离的控制

本文提出了一种在Ｓ１流面上进行势流与粘性流迭代求解弦向缝隙叶栅流场的计算方法，将Ｓ１流面上势流方程组的解与经Ｉ１１ｉｎｇｗｏｒｔｈ－Ｓｔｅｗａｒｔｓｏｎ变换后的边界层方程结合起来联立求解弦向缝隙叶栅流场。计算值同实验结果相当吻合，在正大攻角时，向缝隙叶栅能效地控制边界层分离。     

叶片弯曲对叶顶间隙流动影响的实验研究

详细测量了直叶栅与正、反弯叶栅叶顶间隙中分面以及叶栅前、后横截面内气动参数分布,并对壁面（包括上、下端壁与叶片表面）流场进行了墨迹显示。对比３ 套叶栅的实验结果发现：叶片正弯削弱了泄漏流与端壁流道内横向二次流,泄漏涡与上通道涡合并,二次涡分离由整体分离转变为局部分离,既减少了相对漏气量又降低了掺混损失;叶片反弯加强了泄漏涡与上通道涡的相互作用,虽然使相对漏气量减少,但却增大了掺混损失。     

合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低25%,合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

动失速型非定常分离流的主动控制

本文对动失速型非定常分离流的主动控制方法在低速风洞中进行了实验研究。在二元平板模型中部安装一作振荡运动的主扰流板产生动失速型非定常分离流；在其上游的模型表现上安装另一控制用的振荡小扰流板，应用非定常流的相平均测压技术，研究前置小扰流板的控制效果。实验结果表明，通过控制两扰流板之间的运动相位差，可以显著影响并改变动失速型分离涡的强度和对流时间特性。在有利的控制相位下，涡的负压峰值最大可降低４８％，涡     

分离流中旋涡运动的热行为及其控制的数值模拟

以压缩拐角流动为例，对分离流中旋涡运动的热行为及其控制进行了数值模拟研究。研究结果表明，光滑表面上流动的分离特性及其热行为受到壁面温度的极大影响，提高壁面温度可以使分离点前移，再附点后移，分离范围扩大，涡心提高，而再附点附近及峰值热流则经历了一个先上升后下降的非单调变化过程；分离区和现附点附近的温度型与附着流差别明显，具有很高的峰值和很靠近物面的峰值点，从而造成高热流。而且温度梯度随壁温的不敏感性     

仿生学覆羽控制翼型流动分离实验

"高效率、低噪声"的飞行特点为猫头鹰披上了一层神秘的面纱.本文根据其翅膀覆羽的仿生学构造,设计了新型的柔性锯齿形旋涡发生器,铰接在NACA0018二维翼型各弦长位置处.通过风洞实验,研究了不同面密度柔性材料的流动分离控制效果.实验中,首先利用高时间分辨率的热线风速仪单点扫掠测量尾流区的流场信息,通过小波变换同时在时域、频域对各个尺度涡包的破碎和掺混过程展开分析,确定湍动能较高的特征测点位置后,利用两根热线探针双通道同时测量,得到不同位置的同步流场数据,通过互相关分析,在时域和频域上得到不同空间位置之间扰动的相关性,并结合CCD高速相机的拍摄结果,研究柔性材料的自适应形变规律与扰流涡之间的关系.实验结果表明:中等面密度的柔性材料控制效果较优,安装在尾缘时可以有效吸收附近34％的湍动能用于自适应地振动和变形;剪切层的上边界向下移动0.05倍弦长,尾缘和前缘剪切层的低频段功率谱密度分别下降了70％和50％,前缘剪切层的大尺度结构被破碎为小尺度结构,具有潜在的降噪效果,两剪切层的相关性在频域上得到显著增强.当旋涡发生器的安装位置向前缘移动时,其在逆压梯度下产生的扰动将向低频段转移,大尺度的扰流涡可以诱导分离泡的上边界下移0.1倍弦长.     

低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究

采用计算流体力学(CFD)方法研究低雷诺数下翼面局部振动对翼型气动特性及其流动特征的影响规律。建立局部振动激励的力学模型,并采用任意拉格朗日-欧拉坐标系下的特征线有限元(ALE-CBS)方法对局部振动激励下翼型绕流问题进行模拟,分析局部振动对非定常流动演化的影响规律,揭示其增升机理。研究结果表明:翼面局部变形的增加会有效降低翼型上表面的前缘压力;非定常流动分离中旋涡之间的距离及其演化频率与振动频率的关系是影响翼型翼面局部振动增升效果的重要因素。当流场主频率与振动频率相同,次要频率为主频率的2倍,即发生锁频时,翼面振动产生的移动分离泡能够使分离区从主流获取更多的能量,使翼型上表面保持较低的压力,有效提高翼型升力。     

脉冲等离子体气动激励抑制翼型吸力面流动分离的实验

 为了提高等离子体气动激励控制附面层的能力,进行了脉冲等离子体气动激励抑制NACA 0015翼型失速分离的实验,研究了等离子体气动激励电压、位置、占空比和脉冲频率等对流动分离抑制效果的影响。在来流速度为72 m/s时,等离子体气动激励可以有效地抑制翼型吸力面的流动分离,翼型的升力增大约35%,翼型的临界失速迎角由18°增大到21°。实验结果表明：分离越严重,来流速度越大,有效抑制翼型失速分离的阈值电压越大;等离子体气动激励的最佳位置在流动分离起始点的前缘;调节占空比,可以在控制效果相当的情况下,降低等离子体气动激励所消耗的功率;当脉冲频率使斯特劳哈尔数等于1时,控制效果最佳。     

脉冲风洞中用油滴表面流动显示技术研究激波—边界层干扰流动

本文介绍一种适用于脉冲风洞中显示复杂流动的表面油滴技术及其实验结果。在实验时间为２０至５００ｍｓ的风洞中表面油滴技术能清晰地显示尖前缘翼诱导激波－边界层干扰流表面流谱的详细特征，其特征位置与用铂薄膜电阻温度计和液晶热图测量结果吻合。油流图像表明尖翼高超声速干扰流具有相似于超声速干扰流的锥形特性，大翼偏转角时，存在二次分离再附现象。实验结果证实了尖翼上游干扰角的高超声速相似特性。     

高超声速验证飞行器助推分离段流场数值研究

为了模拟有相对运动的多体非定常绕流，发展了基于弹簧近似的非结构动网格方法及耦合动网格的Euler解算器，作为方法验证，模拟了俯爷振动的NACA0012翼型绕流，计算结果与实验及文献结果非常接近。采用二维近似外形，对高超声速验证习行器助推分离段流场进行了数值研究，得到了不同时刻由于多体相对运动形成的干扰流场结构以及分离过程的气动力参数。     

压缩性修正对γ-Re_θ转捩模型的影响研究

将基于流场当地变量的γ-Reθ转捩模型加入可压缩RANS方程计算程序,对平均流场控制方程、湍流和转捩控制方程进行基于LU-SGS的隐式紧耦合求解。结合三种压缩性修正方法对高超声速平板、双楔和圆锥流动进行了数值模拟,给出了壁面斯坦顿数、热流值和实验值的比较,以及湍动能和间歇因子分布云图。数值计算结果表明,相同来流湍流度下不同压缩性修正方法得到的转捩位置差别较大。相比于未修正的模型,基于当地马赫数压缩性修正后的转捩位置最靠后,其对带有分离的双楔流动预测较为准确;基于来流马赫数的压缩性修正仅使得转捩位置稍有延迟;对湍动能源项的压缩性修正可提高模型在转捩后湍流段的热流预测精度。