不可压缩湍流的多尺度模型

基于可变时间间隔平均方法,提出了一种不可压缩湍流多尺度模型及平均流动方程.与传统的单尺度湍流模型不同,该模型在建立的过程中,保留了湍流的多尺度特性,结合平均流动方程,可以更好地预测湍流流场特征.通过模拟平面后台阶流动和不对称平板扩压器流动,并将预测结果与标准k-ε模型的预测结果对比,初步验证了其可信性及优越性.结果表明:计算所得的平面后台阶流动的流向再附长度与台阶边压力系数比比标准k-ε模型提高精度约20%;平板扩压器流动的回流区位置误差约为7%、倾斜壁面摩擦因数误差约为5%,而标准k-ε模型未能预测出分离现象.可以看出该模型适用于典型的分离流动,在湍流流场的预测中表现优异,具有一定的工程应用价值      

后向台阶湍流边界层分离、再附及发展

应用激光测速仪对后向台阶湍流边界层分离、再附及发展进行了测量,得到时均流速、流向湍流度、平坦系数和偏斜系数等沿程分布。依据时均流速分布特性,得到分离区边界及再附点位置ｘ＿ｒ＝５．２ｈ＿ｓ（ｈ＿ｓ为台阶高度）,再附后湍流边界层恢复速度型相似的位置ｘ＿Ｔ＝１３．５ｈ＿ｓ。在详细分析湍流边界层区域时均及紊动特性的基础上,与光滑平板湍流边界层进行了比较。结果表明,除流速分布对数公式中积分常数较大外,无其它差别。此外,湍流边界层区存在尾流律,尾流参数π＝０．２９。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

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.      

湍流壁面脉动压力场测量技术:传声器阵列

在壁湍流中,壁面压力脉动虽然信号微弱,但包含了湍流中许多旋涡结构运动特征。本文详细介绍了一种传声器阵列测量技术,通过测量壁湍流壁面脉动压力场来快速检测壁湍流场中不同尺度的旋涡结构运动特征。为此,在自行设计的声耦合腔标定装置上对各传声器进行标定得到其幅频-相频响应特性传递函数。实验建立了传声器阵列测量系统,以后台阶湍流作为例,将16个传声器以阵列方式沿流向安装在台阶下游壁面上,对分离再附湍流的壁面脉动压力场进行了同步测量和信号重构。实验结果分析表明:传声器阵列测量技术可以很方便地捕捉到壁湍流中旋涡结构的非定常运动特征。这种传声器阵列脉动压力测量技术在风工程、空气动力学等非定常流动实验研究中有很好的应用价值。     

不同湍流模型在三维后台阶数值模拟中的对比

数值模拟是飞行器设计的重要工具,如何精确模拟分离流动,其关键在于选择合适的湍流模型。针对分离流动中典型的后台阶流动,采用不同的湍流模型进行三维数值模拟分析,其中包括Spalart-Allmaras(简称SA)湍流模型、两方程k-Omega SST(简称SST)湍流模型和显式代数雷诺应力模型(EARSM),并与实验结果进行比较。研究结果表明:EARSM对于后台阶分离涡回流区的模拟结果最好,优于SA与SST湍流模型,SA模型对于剪切层模拟稍好一点。综合来说,EARSM模型对于回流区分离涡的模拟较好,在剪切层位置其模拟结果也和实验较为接近,能较好地反映后台阶的分离流动。     

平面不可压后台阶湍流流动的数值模拟——壁面温度的影响

对平面不可压后台阶湍流流动进行了数值模拟,研究了台阶后下壁面温度对流场的影响.数值模拟采用SIMPLE算法,湍流采用k-ω湍流模型模拟.研究结果表明台阶后通道温度剖面分为大梯度区、过渡区和稳定区,对于温度剖面的过渡区在后台阶流动的回流区具有凸的特性,而在恢复区具有凹的特性.另外,数值解表明湍流模型在模拟具有分离再附着流动特性的后台阶湍流流动时具有很高的精度.     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小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。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

非对称突扩分离区三维流动特性的激光测量和可视化

用实验方法测量了非对称阶跃扩张管道中湍流分离区的三维速度分布。测量是用自制的双差动型声-光频移二维激光测速仪完成的。管道扩张比为2:1,展高比为3:2,实验雷诺数为5700。在分离区紧靠台阶的下游,测得了一对展向涡,涡心位置随高度略有变动。沿展向再附点的位置也不同,在中心截面再附长度最大,接近两侧壁时分离区有缩小趋势。用激光可视化技术得到了回流区和展向涡的流动图形,与激光测速的定量结果很一致。     

流线正交坐标下湍流分离再附流的实验研究

本文采用二维激光多普勒测速仪测量了二维非对称曲壁扩压器内的湍流分离再附流动。湍流边界层在强逆压梯度下于曲壁上分离,而后于后续的平直通道上再附。扩压器进口处的雷诺数为1.2×10~5,速度为25.2米/秒。在新定义的局部斜流线坐标下,给出了实验结果,并做了分析。实验结果表明:在瞬时分离点后的近壁反流中,雷诺剪应力为负值。采用最大雷诺剪应力为尺度,从分离至再附的流动过程,存在着雷诺剪应力的相似分布,同时Schofield-Perry速度分布在正向流动区成立。由雷诺剪应力相似分布及Schofield-Perry速度分布可假设一新的涡粘性湍流模型,其长度尺度来源于Schofield-Perry速度分布,其速度尺度由最大雷诺剪应力、自由流速度和Schofield-Perry速度尺度形成。     

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响

为研究高马赫数下真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响，采用量热完全气体模型和化学非平衡气体模型两种气体模型对层流流态、转捩流态、全湍流流态的双楔绕流流场进行了数值模拟，其中转捩流态计算采用基于间歇因子的γ-Re_θt转捩模型，全湍流计算中采用k-ωSST湍流模型。结果表明：双楔拐角附近发生流动分离，与量热完全气体模型相比，相同流态下，化学非平衡气体模型计算得到的分离区尺寸更小。在边界层转捩位置的分析中发现，双楔拐角附近的分离区对边界层转捩有重要影响，分离激波产生的位置与边界层开始转捩的位置高度吻合，与量热完全气体模型相比，化学非平衡气体模型时的边界层转捩起始位置更靠后。针对真实气体效应下单位雷诺数、拐角角度对边界层转捩的影响规律研究发现，真实气体效应在一定程度上抑制了分离区内的转捩流动，随着单位雷诺数减小、拐角角度增大，真实气体效应对边界层转捩的影响随之增大。     

S弯扩压器中四种湍流模型的比较

采用Realizableκ-ε,S-A(Spalart-Allmaras),SST(Shear stress transport剪切应力输运),RSM(Reynolds stress equation model雷诺应力模型)四种湍流模型对S弯扩压器内的分离流动进行了模拟,分析了不同湍流模型对计算结果的影响.将不同轴向位置的表面压力系数、分离区的大小、马赫数等三个量的实验值与计算值进行了比较,结果表明:分离区湍流模型对表面压力分布影响较大,未分离区不同湍流模型模拟精度相当;S-A模型对分离区的模拟较保守,RSM模型对分离的模拟精度较高,SST与RSM模拟结果很接近;各湍流模型计算的高速区域均比实验值大.扩压器的平均总压恢复系数受湍流模型影响不大,和实验结果吻合较好.      

超声速湍流流动中平板-楔模型分离、传热和烧蚀试验研究

本研究之目的是为了模拟可控有升力飞行器周围的加热和压力场,研究受热表面的烧蚀现象,以便发展地面的实验能力。在电弧加热器上,利用超声速湍流平板技术,进行控制翼模型分离、传热和烧蚀实验。结果表明,由于翼角前有一条横缝,分离效应减弱,导致产生分离的最小翼角增大。由于分离流动影响,在翼上及其周围压力和热流升高,烧蚀速度大大增加。本文给出了有关的相关公式。     

激光测速测量湍流分离-再附流动

 <正> 湍流边界层分离研究是当前流体力学中难度极大的课题。有关的试验比较罕见,其重要原因是接触式测速技术对流场有干扰且无方向敏感性,因而难以获得可信数据。激光多普勒测速(LDV)作为非接触测速技术,可以有效地测量间歇反流特征,因此越来越多的研究者倾向于应用LDV研究湍流分离流。迄今为止,应用LDV对分离流的研究一般侧重于分离过程。对整个湍流分离-再附过程进行完整的测量尚不多见。本试验采用二维LDV系统详细地测量了二维非对称曲壁扩压器内的湍流分离-再附流动。     

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。     

压缩-膨胀湍流边界层平均摩阻分解

采用直接数值模拟对来流马赫数2.9、24°压缩-膨胀折角构型中激波与湍流边界层干扰问题进行了研究。重点关注膨胀折角法向高度对激波干扰区以及下游平板边界层流动的影响。研究发现，当高度足够大时，激波干扰区内未受下游膨胀波的影响，此时的流动特征与传统的压缩折角干扰构型一致。高度较小时，脱体剪切层的再附过程受到下游膨胀波的加速影响，导致再附点向上游移动，分离泡发生剧烈收缩。对上、下游平板湍流边界层应用了平均摩阻分解技术，比较了湍流边界层在平衡和非平衡状态下的差异。分析发现，膨胀折角区域的高摩阻现象主要与摩阻分解后的C_f1项与C_f3项相关。高度变化对C_f1项影响较小，而对C_f2项影响显著。高度变化体现在：下游平板上G9rtler涡结构强度以及层流化现象对C_f2项贡献的差异。     

运用低雷诺数非线性k-ε模型研究湍流分离流动

给出了一个低雷诺数非线性ｋ－ε湍流模型，其中采用了一个非线性雷诺应力表达式并引入了两个考虑湍流近壁效应的修正函数。应用该模型和标准ｋ－ε模型计算了两种不同膨胀比的后台阶分离流。与实测结果比较表明，低雷诺数非线性模型结果较标准ｋ－ε模型结果有明显改进，它对流场的各特征量包括分离—再附长度、时均速度及各雷诺应力分量均给出了较好的预测。     

弯曲壁面流动分离及再附的尺度解析模拟

为准确预测弯曲壁面发生的流动分离及再附现象,基于模拟应力混合思想构建了新的RANS/LES混合框架,涡黏系数和湍动能耗散项中的长度尺度同步切换、涡解析区动态确定亚过滤尺度模型系数、采用混合过滤尺度匹配动态模型,并据此构造了k-ω基动态应力混合模型。首先利用槽道湍流检验了基准的亚过滤尺度模型和近壁RANS模型,前者解析获得了正确的湍流脉动近壁行为和相干结构,后者以很小代价捕捉到了雷诺应力分量的各向异性和松弛效应。随后利用周期性山算例考核了动态应力混合模型对分离再附湍流的预测精度,并与DDES,IDDES及SAS模型进行了对比。结果表明,三项改进使得动态应力混合模型具有近壁模拟能力且不存在对数律不匹配问题,涡解析能力优于DES类隐含的准代数模型,能够更好地捕捉压力梯度诱导的流动分离和再附,获得更为准确的壁面剪切应力、摩擦系数、压力系数、回流区,分离剪切层相干结构的分辨率更高。     

三维激波／湍流边界层干扰产生的起始分离的预测

本文对由平板上直立尖劈产生的激波/湍流边界层干扰引起的起始分离进行了研究,提出了一种预测起始分离条件的方法。边界层内的分析采用了Johnston的三角形模型,边界层外主流分析则利用了Prandtl-Meyer函数。预测方法的结果表明与文献中的实验数据符合良好,而且比McCabe理论和Korkegi准则及Lu的半经验关系有更好的物理基础。