槽道内涡波流场展向涡的分布特征

通过2DPIV测量了槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场,利用雷诺分解和旋转强度的λci准则进行了展向涡的识别;并从识别的逆时针和顺时针展向涡的尺度属性、力学属性和运动属性方面分析了展向涡的分布特征。结果表明,流场中的顺时针展向涡的数量大于逆时针展向涡的数量;在法向位置0.05~0.45范围内,逆时针展向涡的旋转强度呈抛物线形状变化,顺时针展向涡整体呈下降趋势;逆时针展向涡的平均直径和椭圆平均长轴长度随着法向位置的增加而缓慢增加,而顺时针展向涡趋于下降;逆时针展向涡的椭圆长轴倾角最大值为67.28°,顺时针展向涡的等效椭圆的离心率呈下降趋势,似圆性较好;逆时针展向涡对全局平均的〈vωz〉分量在法向位置0.15处出现最大值61%;展向涡对流场雷诺应力的影响较小;逆时针展向涡的数量密度在0~0.08法向位置范围内呈急剧上升趋势,并达到最大值0.36,顺时针展向涡数量密度整体呈倒U形分布;不同旋向的展向涡占总展向涡数量密度的比值都大于0.3;展向涡的流向对流速度整体上小于流场的平均速度,且在槽道中心区域差值较大;展向涡的法向对流速度随着法向距离增加,从负值上升到正值,在中心主流两侧分别发生喷射和扫掠2种现象。     

壁面展向匀速运动的槽道湍流的直接数值模拟

为了解展向存在匀速流动时湍流槽道流动的特性,应用直接数值模拟方法研究了壁面的展向运动对湍流槽道流动的影响.采用标准谱方法对固定质量流率条件下,上壁面展向运动速度分别等于零、流向流量平均速度以及两倍于流向流量平均速度等3种情况进行了直接数值模拟.结果表明,壁面的展向运动会导致表面摩擦力的增大,二阶湍流统计量诸如均方根速度脉动、雷诺剪切应力和均方根涡量脉动等都会随着壁面展向运动速度的增大而显著增长,同时,槽道截面上的均方根速度脉动也变得更均匀.      

基于非Favre过滤的大涡模拟

将直接过滤的可压缩Navier-Stokes(NS)方程组作为可压缩湍流大涡模拟方程组.方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似表达,得到可压缩张量扩散模型.与传统的采用质量加权过滤(Favre过滤)的可压缩大涡模拟方程组相比,由于这种方法没有密度信息的损失,所以能反映真实的密度脉动信息;方程所求量为流场物理量的过滤值,物理意义明确,使大涡模拟结果与直接数值模拟或实验结果更具有可比性.用这种大涡模拟方程组对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验、Baldwin-Lomax(BL)模型及Smagorinsky亚格子模型的结果进行了对比.      

流向磁场作用下二维磁流体槽道湍流直接模拟

对低磁雷诺数近似下流向磁场作用的二维磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation),给出了 Re=10 000时不同磁相互作用数下二维磁流体槽道湍流的近壁速度分布、湍流脉动速度均方根、雷诺应力等统计量的变化,并与中性流体二维槽道湍流进行了比较.结果表明:流向磁场作用会导致对数区上移;雷诺应力最大值随磁相互作用数呈线性变化;随着磁相互作用数的增大,下壁面平均涡量的时间演化由拟周期性向周期性转变,且脉动周期逐渐增大并当流动层流化后下壁面平均涡量成为常值.      

类X-51A飞行器非定常湍流精细模拟

针对类X-51A飞行器在超声速大迎角状态下存在的大范围非定常分离流动,开展了精细化湍流数值模拟研究。计算基于高阶格式下的延迟分离涡模拟方法（DDES）,来流马赫数为2.5,迎角为10°。分析了该复杂流场中存在的分离流动现象、分离流动诱导的气动特性变化规律以及压力脉动特点;其中重点研究了壁面压力脉动强度分布情况和监测点压力脉动频谱特性。分析结果表明:飞行器大迎角飞行时从侧缘诱导出明显的分离涡,并对尾部舵面产生干扰;受干扰尾舵表现出明显的非线性及非定常气动特性;分离涡的存在导致飞行器尾舵前缘等位置的壁面压力脉动显著增强,200~300 Hz的低频高幅值脉动可能会导致结构破坏。      

旋转状态气膜冷却的大涡模拟

用大涡模拟的方法考察了静止和旋转状态下有直径4mm,35°流向倾斜圆柱孔的平板上气膜冷却的流动和换热,将静止状态预测的速度型与实验数据进行对比验证了计算结果的合理性.在固定吹风比为0.5、冷气进口雷诺数为2 588的情况下,静止和旋转状态的涡量分布出现明显差异,且旋转状态射流与主流相互作用的剪切层沿展向偏离气膜孔的几何中心线,使得原有对转涡对不再关于孔中心线对称分布,漩涡识别技术也发现典型的涡结构受旋转影响发生形态和运动规律的改变,进而影响湍流结构对主流和冷气掺混的作用.     

低动能来流下背负式进气道非定常流动特性分析

为了改善飞翼布局背负式S弯进气道低动能来流状态下的流动性能,采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法对原型及改进型背负式进气道流场进行了数值模拟研究,对比分析了进气道流量特性及内部脉动压力特性。结果表明:低动能来流时背负式进气道上部唇口附近存在很大的气流转折角,导致唇口产生分离涡;原型进气道唇口分离涡强度高,高能量分离涡在进气道顶部破裂产生了大范围旋涡结构,进一步加剧了流动分离,从而引发进气道内产生强烈的压力脉动,声压级最大幅值高达145 dB;改进型进气道唇口分离涡得到了有效控制,强度大幅下降,进气道内部压力脉动幅值也显著降低,声压级降幅达8 dB;改进型进气道分离的抑制使进气道有效流通截面积增大,质量流量增加。同时,流场出口品质提升,进气道出口综合畸变指数降低了9.5%。      

Taylor-Couette流的DSMC数值模拟

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.     

旋翼涡尾流与下洗流场的计算方法

 以重点考察旋翼尖涡的运动为目标来构想一种悬停和前飞旋翼涡尾流的理论计算方法.首先从预定的广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正,对旋翼的自由尾流进行计算分析.然后在环量收敛与尾迹收敛的条件下,计算拉力以满足拉力收敛准则.之后,作为本方法的工程应用,文中给出了计算的旋翼沿火箭发射线的下洗速度分布并作了简单分析.从理论上说,文中所发展的方法可以为进一步研究尖涡的生成模式与涡核结构所应用,同样也可以预测旋翼的涡诱导流场.     

XY-SAS模型对于分离流动的性能分析

XY-SAS(Xu-Yan-Scale Adaptive Simulation)模型是一种新的基于平均涡量的一方程SAS类模型,不但解决了分离涡模拟DES(Detached Eddy Simulation)的雷诺平均N-S方程RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)-大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)交界面问题,而且计算量远小于早期SAS.通过对XY-SAS模型的机理分析,认为该模型克服了早期SAS模型预测的湍流能谱在高波数衰减不足的缺陷,并在分析的基础上对该模型进行了改进,取消了其限制器.选用平板边界层和方柱绕流作为算例,进一步研究了该模型对于稳态流动和大分离流动的性能,数值模拟结果同实验值符合良好,证明XY-SAS模型自身完备,是预测稳态流动和大尺度分离流动的有效方法,实现了涡粘性系数根据当地流动状态动态地自适应调整和光滑过渡.     

狭长型封闭舱室内非定常流动模拟的湍流模型比较

针对狭长型封闭舱室内非定常流动模拟的湍流模型选择问题，以飞机舱室为典型环境，使用相似准则为依据的热缩比法搭建了实验平台。将实验结果与RNG k-ε、DES、LES三种湍流模型的数值模拟结果进行对比和分析，评估狭长型封闭舱室内非定常流动特征研究中合适的湍流模型。结果显示，RNG k-ε和DES模型可以定性描述流动变化趋势，但是LES模型在流场非定常性和不稳定性捕捉更为准确，其流场结构更接近实验结果。模拟结果与实验结果对比显示，LES模型能更加真实地反映狭长型封闭舱室非定常流动的情况。     

XY-SAS模型中不同网格尺度限制器的影响分析

XY-SAS(Xu & Yan Scale Adaptive Simulation)模型通过在SA(Spalart-Allmaras)模型耗散项的湍流尺度中引入基于平均涡量的冯卡门长度尺度,在不稳定流动区域具有类似LES(Large Eddy Simulation)的计算性能,且不存在DES(Detached Eddy Simulation)方法中RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)与LES的交界面问题.由于SAS类模型预测的湍流能谱存在高波数衰减不足的缺陷,需要进一步在湍流尺度中引入网格尺度作为限制器.采用不同形式的网格尺度限制器构造了3种XY-SAS模型,对Re=3 900的圆柱绕流进行数值模拟,并与DES及实验数据进行比较.结果表明网格尺度限制器对XY-SAS模型的计算性能有较大影响,以最小网格间距作为高波数衰减限制器是较为合理的选择,此时模型对于大分离流动能够达到DES的模拟能力.     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

轴流压气机尾流撞击效应机理的数值模拟

通过精确给定转子进口边界条件,以模拟上游静子尾迹对转子流场的影响,这样利用单排的计算结果模拟转/静干涉引起的非定常流动对流场气动参数的影响,因为相邻叶片排的叶片数不同,从而避免传统方法中常用的叶片数约化存在的难以正确模拟非定常激励频率的问题,对计算时间和计算能力的要求也可减少.针对一个低速转子的数值模拟结果显示,如果能合理地组织来流尾迹的扫过频率和尾迹亏损的幅度,对转子气动性能的改善是很显著的,从而为风扇/压气机中控制和利用非定常流动提供了一个可行的方向.     

DES方法对返回舱气动热环境数值模拟

脱体涡模拟方法(DES,Detached Eddy Simulation)由于结合了湍流模型(RNAS,Reynolds Averaged Navier-Stokes)和大涡模拟(LES,Large Eddy Simulation)两者各自优势,是模拟非定常大分离流动的有效方法.采用基于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型的DES方法,对高超声速返回舱外形进行数值模拟,计算所得的返回舱表面压力及热流分布与实验结果吻合,证实了DES方法的优越性.最后,在DES方法中加入可压缩修正,结果证实在高超声速流动中,可压缩修正方法在一定程度上能够提高原始模型的预测性能.     

垂直下降状态下的旋翼三维流场数值模拟

应用激励盘模型,采用计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)方法结合动量叶素理论,计算了旋翼在垂直下降时的流场特征与气动性能.计算过程中,旋翼载荷被描绘成沿桨盘径向分布、与当地流动参数相关的压力源项.在直角坐标系中,运用有限体积方法直接求解了定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,湍流模型为S-A(Spalart-Allmaras)一方程模型,重点使用诱导速度经验公式计算出了压力源项.旋翼流场模拟结果和性能预计结果同实验测量数据吻合较好,表明这种CFD方法可以有效地分析旋翼下降飞行时的空气流动特性,为进一步的涡环状态研究提供了参考.     

内孔结构对旋转空化发生器水力特性的影响

空化普遍存在于工业生产、舰船推进、航空航天等领域.使用高速相机对闭式循环试验台的旋转空化发生器内部流动进行试验观测，然后基于RNG k ε湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型开展了旋转空化发生器流场的数值模拟.结果表明数值模拟结果与试验观测数据吻合较好，验证了本文数值模拟方法的准确性和可靠性.受离心力作用，转子孔内的压力从内径到外径逐渐增大.内孔底部由于轴向旋涡的作用，产生较大旋涡并耗散能量.内孔顶部流体与腔体区主流相互作用，在内孔顶侧产生碰撞并形成较小漩涡.不同内孔结构对旋转空化发生器的空化效果具有重要影响，在相同工况下椭圆形内孔的空化率小于圆锥形和圆柱形，说明型线光滑的内孔结构局部损失小，产生的空化较弱.不同内孔结构下，旋转空化发生器内部压力脉动的主频为转频fi或24fi(对应圆周方向开孔排数)，压力脉动最大幅值出现在进口管侧和出口管侧，主要原因是受动静干涉作用影响.     

SST-DES在小分离流动数值模拟中的改进

在基于剪切应力运输（SST,Shear Stress Transport）分离涡模拟（DES,Detached Eddy Simulation）应对小分离流动的数值模拟中,上游雷诺平均方法（RANS,Reynolds Averaged Navier Stokes）区域内较大的涡黏性通过对流扩散方程传递到下游大涡模拟方法（LES,Large Eddy Simulation）区域,导致自由剪切层解析湍流解迟迟得不到发展,剪切层失稳延后,出现强烈的灰区效应。为此将SST-DES中体现LES求解的类亚格子模式重新构造成标准k方程亚格子模式,防止多变量在RANS和LES交界面处对湍流黏性系数的混合影响,最终得到了一种改进的SST-DES方法。采用该方法对AS239翼型小分离数值模拟并与DES和延迟分离涡模拟（DDES,Delayed Detached Eddy Simulation）结果进行对比,可以看出该方法在壁面边界层保留了SST-DDES特性的同时,在尾迹区大大提高了LES的可解能力,显著降低了灰区的影响。