角区三维漩涡流动的新分离结构

分别用数值计算和PIV(Particle Image Velocimetry)实验方法研究角区层流边界层三维定常分离的流动结构,证实了角区确实存在有别于传统分离现象的附着鞍点结构,对称面上游的流线并非从壁面向上抬起从壁面分离,而是经由空间某个奇点向壁面附着.角区马蹄涡的传统分离鞍点结构和附着鞍点结构之间存在着一定的演化规律,影响参数包括模型头部钝度、边界层厚度和雷诺数.一定的边界层和雷诺数条件下随着模型头部钝度减小,角区马蹄涡将从传统的分离鞍点结构逐步过渡为附着鞍点结构;对一定的模型若雷诺数越大、边界层越厚则角区流动越趋向于传统的分离鞍点结构,反之则倾向于附着鞍点结构.     

对称面圆周角对轴对称降落伞流场特性的影响

根据降落伞的特点,通过3点假设(伞衣薄膜、伞的轴对称和流场定常),将三维复杂流动问题转化成二维轴对称问题,以节约计算时间.定义对称面圆周角,保持伞衣幅底部直径和顶孔直径不变,选取对称面圆周角在80°~140°范围内变化,建立一系列轴对称降落伞的计算模型.利用数值模拟手段,求解RNG (Renormalization Group)k-epsilon湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的计算结果.分析发现对称面圆周角和伞衣幅高度对降落伞阻力影响很小.算例中阻力随对称面圆周角的变化在±0.28%以内.对称面圆周角的变化对轴对称降落伞尾流区流场的拓扑结构没有影响.对称轴上存在2个鞍点,随着对称面圆周角的增大,第1个鞍点的位置几乎不变,第2个鞍点的位置向尾流方向推移.      

某型号飞机简化模型大攻角流态初步研究

 在水洞中应用染色液流动显示技术对某型号飞机简化模型机头流动状况随攻角和来流速度的演化进行了观测和分析.实验结果表明,在本实验条件下,对于不同的来流速度或雷诺数,每种流动现象所对应的攻角确实发生了变化,说明雷诺数的影响确实存在;另外,对自由转捩条件下,俯仰力矩曲线在α=35°~70°之间很分散的风洞实验结果进行了初步的解释:α=35°基本上对应于边条涡非对称破裂的开始;而α=70°则对应于机头迎风面流动向前、向后的临界点.     

轴对称降落伞小迎角稳定下降时流场特性

根据降落伞的特点,通过伞衣零厚度假设、伞轴对称假设和流场定常假设,建立轴对称降落伞的流体力学计算模型。在0°~5°的小迎角范围内,求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的N-S方程组,获得与有关单位试验相吻合的数值模拟结果。分析发现0°迎角时轴对称降落伞截面流场中鞍点与鞍点直接连接的状态是不稳定的。随着降落伞迎角增大,奇点类型和奇点间的连接方式将发生改变,降落伞物面附近的涡环里将出现极限环,截面流场中将出现新的鞍点和结点。迎角继续增大,极限环的面积将会减小直至消失,结点将附着在物面上,成为半结点。结果表明小迎角范围内降落伞截面流场的拓扑结构符合拓扑规律。文章揭示了小迎角范围内轴对称降落伞稳定下降时流场特性的演变规律,为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

边界层转捩过程三维扰动的发展和演化

引入展向调制的二维人工扰动激发平板边界层转捩,利用水槽氢气泡流动显示技术观察到转捩边界层中典型三维扰动的产生和发展,包括Λ结构、发卡涡以及发卡涡演化生成环状涡的过程.实验结果显示出环状涡和尖峰结构的关系,直接证实了尖峰结构的产生机理.在流动紊乱化初始阶段发现常出现在湍流边界层中的暗斑结构,结果表明与暗斑相伴随的局部高剪切层不稳定可能是流动紊乱化的重要原因.     

飞行器动态下俯过程中的负阻力现象

利用水洞中动态测力/流动显示一体化实验系统,研究飞行器简易模型等速俯仰过程动态气动特性.测力天平为三分量内式尾支形式;利用氢气泡方法观测机翼上表面流动,测力和流动显示结果同时记录.当下俯无量纲角速度k≥0.11时,观测到正攻角时的负阻力现象.分析测力和流动显示结果,表明负阻力是下俯过程中上翼面流动由分离向附着恢复过程中的迟滞效应引起的,负阻力的大小与下俯无量纲角速度和下俯起始攻角有直接关系.      

基于SA湍流模型的DES方法应用

使用基于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型的分离涡模拟(DES,Detached-Eddy Simulation)方法,对圆柱绕流和超声速圆柱底部流动等高雷诺数大分离流动进行了数值模拟.无粘通量的计算采用二阶迎风格式,时间推进使用二阶隐式双时间步法.计算表明相对于雷诺平均N-S方程(RANS,Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟,时空均为二阶精度的DES模拟能够分辨更为精细的分离区三维旋涡结构,对分离区主要湍流结构的捕捉和平均压力分布的预测取得了满意的结果.     

扩压叶栅端壁角区旋涡对湍流特性的影响

为了弄清扩压叶栅端壁角区旋涡对湍流特性分布的影响,用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅中角区流动的湍流特性.对测量结果的分析表明:流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加.同时,旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律.     

射流角度对平板横向射流的影响

采用数值和试验方法研究了射流角度对平板横向射流流动结构和工作特性的影响,将得出的规律应用于射流控制矢量喷管上.在小型风洞试验台上进行试验,用纹影方法来观察实验模型的流场结构,通过静压测点来测量实验模型的壁面压力.研究结果表明:数值与试验结果吻合较好;对平板横向射流,增大射流角度能增大射流上游的分离区,弓形激波位置更靠前,角度增加到一定大小,流场结构变化不再明显;对射流控制矢量喷管进行数值模拟得出,增大射流角度能有效提高喷管的推力矢量性能,在NPR为 4.6,SPR为0.7条件下,射流角度从90°增加到130°,推力矢量性能提高28.3%.     

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.      

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.     

尾翼对民机后体流动特性的影响

在1.5 m低速风洞中采用表面油流、烟线/激光片光显示和部件测力等实验方法对2种民机布局后体的绕流流型和气动特性进行了研究.实验的风速为40 m/s,雷诺数为1.191×105,迎角范围为-10°~20°.实验结果表明:随着迎角由负到正的变化,2种布局模型后体绕流都经历了上分离—无分离—下分离流型的变化,分离流型属开式分离并由尾部起始向机身发展;小迎角下2种布局模型后体阻力的差别主要由尾翼的摩擦阻力引起,而较大迎角下尾翼绕流分离引起的压差阻力起主要作用;垂尾分离随迎角增加而不断减弱,从而导致正常式布局后体阻力随迎角变化表现为非对称.      

轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

Influence of curved thin-film device on deformation of a solar sail

A spinning solar sail IKAROS’s membrane is estimated to unexpectedly deform into an inverted pyramid shape due to thin-film devices with curvature, such as thin-film solar cells and steering devices on the membrane. It is important to investigate the deformation caused by the curved thin-film devices and predict the sail shape because the out-of-plane deformation greatly affects solar radiation pressure (SRP) and SRP torque. The purpose of this paper is to clarify the relationship between the global shape and orientation and position of curved thin-film devices and to evaluate SRP torque on the global shape using finite element analysis. The global shape is evaluated based on the out-of-plane displacement and the SRP torque. When the curved thin-film devices make the membrane shrink in the circumferential, diagonal, and radial direction, the sail deforms into a pyramid shape, an inverted pyramid one, and a saddle one, respectively. The saddle shape is more desirable for solar sails than the inverted pyramid shape and the pyramid one from the viewpoint of shape stability to SRP and control of SRP torque in the normal direction of the sail (windmill torque). The position of the thin-film device tends to increase the absolute value of windmill torque when it is biased circumferentially from the petal central axis. The suggested design principles for the arrangement of thin-film devices is that the curved thin-film devices should be directed so that the sail shrinks in the radial direction in order to deform the sail into a saddle shape with high shape stability, and the position of the thin-film devices should be biased in the circumferential direction paying attention to the absolute value of windmill torque to determine the direction of windmill torque.     

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.     

Advanced analytical model for orbital aerodynamic prediction in LEO

The growing interest in low earth orbit (LEO) applications demands for accurate modeling of orbital aerodynamics. But classical analytical models of aerodynamic coefficients in free molecule flow, such as the Sentman’s model, Schamberg’s model and Schaaf-Chambre model, were built upon over simplistic gas-surface interaction models, which degrade the fidelity of aerodynamic prediction. This work presents a new analytical model of orbital aerodynamic coefficients based on the state-of-the-art Cercignani–Lampis–Lord (CLL) gas-surface interaction model, where lobular quasi-specular scattering pattern and separate accommodation degree for different velocity components can be well captured. A key component of the new model is a rigorous function approximation solution of the reflected normal momentum flux based on the CLL model which is derived for the first time and is validated within 1% for any hypothermal flow and surface accommodation conditions. Closed-form analytical solutions of aerodynamic coefficients for simple convex geometries are obtained and exhibit high accuracy (within 0.1%) in typical LEO scenarios. The new analytical model surpasses the classical models in some important aspects, such as overcoming the diffuse scattering hypothesis constraint, considering the variation of normal momentum exchange with the surface incidence angle and being applicable in any hypothermal flow situation. In virtue of the advanced CLL model and feasibility of coupling with the panel method technique, the new analytical model is promising to provide more accurate predictions on the orbital aerodynamic coefficients for LEO applications.     

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。