角区三维分离流附着鞍点拓扑结构及其演化

实验研究角区层流边界层三维定常分离附着鞍点拓扑结构的存在性及其演化规律.二维粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)激光片光源设置于给定平板和不同模型组成的角区对称面,采用微距镜头捕捉对称面奇点附近的局部流动拓扑结构.实验证实在一定流动参数条件下多种形状模型与平板形成的角区均存在有别于经典分离的附着鞍点拓扑结构;随着雷诺数增加或者随着模型钝度的变化,附着鞍点拓扑结构与经典分离鞍点拓扑结构之间存在着一定的演化规律;对附着鞍点拓扑结构与Lighthill经典三维分离模式的关系进行了分析,表明Lighthill经典三维分离模式也适用于分析附着鞍点拓扑结构.     

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.      

基于相干结构的大涡模拟壁面模型

首先对湍流边界层近壁区相干结构群进行研究,根据共振三波理论使用沿流向周期性发展的多个三维波构造其初始结构,通过直接数值模拟得到该相干结构群的演化特性.在此基础上,提出了基于近壁区相干结构流动参数的新型大涡模拟壁面模型.确定了此壁面模型与主流大涡模拟衔接的原理方案.计算结果表明:该壁面模型在减少计算量的同时,能够为主流区大涡模拟提供重要的壁面大尺度结构信息,使计算取得准确的结果,实现了壁面模型的基本功能.      

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。     

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

前体非对称涡Re效应初探及其风洞模拟技术

对不同长细比(11和6.15)的细长旋成体模型在低速风洞中完成了亚临界和 临界雷诺数(Re)的测压实验研究.结果表明,只要后体尾部截断至离二涡区足够远,就不会影响由前体二涡主控的多涡系结构,并且头部扰动与非对称涡响应之间的相关关系也保持不变,这为在常规低速风洞中通过增大旋成体直径、减小长细比来扩大Re实验范围提供了实验依据.基于此技术,临界Re下低速实验结果表明细长旋成体在层流和转捩分离区的截面压力分布有明显的区别,导致在临界Re内的侧向力较亚临界显著减小,而且头部扰动对背涡流动的主控作用明显减弱,单孔位微吹气扰动主动控制技术不再适用.      

基于共振三波的大涡模拟壁面模型

大涡模拟的一个重要发展方向是处理工程流动问题,但高雷诺数下近壁湍流边界层对计算网格的过高要求成为制约其应用的主要瓶颈;要减少计算量,构建合理且能够正确反映近壁湍流动力学特性的壁面模型是一条有效途径.在此背景下,构造了一种计算中便于实现的基于共振三波的壁面模型.通过对充分发展槽道湍流算例的研究,完成了对该模型构造方法、方案的论证和验证计算.结果表明使用壁面模型后,在减少计算量的同时,定性和定量的结果均较为合理,能够得到重要的瞬态特征结构和正确的一阶、二阶统计量,从而部分验证了该方法的有效性.     

后掠翼身干扰区流动显示

在水槽中利用激光片光源及荧光素纳染色液显示方法,研究了圆柱、机翼与平板交接区及后掠圆柱、后掠机翼变迎角情况下的干扰流场结构、特性及参数影响规律.实验结果表明,除Re数之外,模型迎角、后掠角等参数对干扰区马蹄涡特性有很大影响.研究发现后掠圆柱及后掠机翼在一定条件下存在一类既不同于马蹄涡也不同于卡门涡的空间稳定发展的三维旋涡系即背涡.背涡在一定的迎角及后掠角条件下发生破裂;机翼背涡随迎角变化具有不同于圆柱背涡的特点.讨论了干扰背涡产生的机制及其与马蹄涡的相互关系.此外还给出了对于干扰流场典型截面的PIV测量结果.     

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.     

合成射流控制NACA0015翼型大攻角流动分离

为了研究合成射流激励器处于NACA0015翼型回流区时对其分离流动的控制,采用商用计算流体力学软件Fluent 6.1求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,通过对翼型气动力特性、脱落漩涡结构以及射流孔口附近流动结构的分析,揭示了合成射流处于分离区时对边界层控制的机理.结果表明:当合成射流孔口处于回流区时仍可有效推迟翼面边界层分离点,缩小回流区范围,从而有效提高翼型的升力.当射流方向垂直于壁面,无量纲频率以及吹气速度比都等于1时,翼型平均升力系数提高40%左右.      

后掠翼身干扰区流动特性及改善措施研究

利用流动显示及表面压力测量方法研究了后掠翼身干扰区的流动特性,并研究了用小边条等措施改善干扰区的流动特性的效果.结果表明,随着不同机翼后掠角、不同迎角及不同Re数对干扰区流动特性的影响,流态可以从一涡系变成多涡系,由定常变成非定常,而且在一定的Re数以后涡系会紊流化;翼身干扰区上游的的逆压梯度是导致边界层分离的物理原因,利用面积很小的边条可以降低干扰区局部的逆压梯度,可以导致干扰区的旋涡很弱,甚至不出现,这是很有实际意义的.     

绕丁坝流动结构实验研究

利用流动显示和片光源技术,对绕丁坝的流动进行了实验研究,以便了解丁坝参数对流态的影响.实验是在水槽中进行的.发现在丁坝的上游会形成马蹄涡,在丁坝的背风面会形成卡门涡.按雷诺Re数的大小可以把绕丁坝的流态分成4种类型:定常单个马蹄涡、非定常单个马蹄涡、非定常双马蹄涡Ⅰ及非定常双马蹄涡Ⅱ.实验表明丁坝的交角及丁坝的个数对丁坝的流态有重要影响.     

用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰

采用GAO-YONG可压缩湍流方程组,模拟了平板激波/湍流边界层干扰现象.运用SIMPLE算法求解方程组,并分别采用三阶精度的QUICK格式和中心格式离散对流项和扩散项.计算结果较好预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征: 分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波.对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够高精度模拟平板激波/湍流边界层干扰流动.      

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.     

扰流片分离流动特性的数值研究

在非结构网格下,采用SIMPLE算法结合两层带状边界层模型求解雷诺平均N-S方程.研究了底部间隙对平板扰流片引起的分离再附流动结构的影响.结果表明带底部间隙扰流片的流动结构主要由顶部绕流和底部间隙射流影响.底部间隙的大小决定了射流的强度,最终决定了绕流的结构.随着底部间隙的增大,绕流经历了封闭单涡回流区、射流干扰回流区以及平板绕流3种流动结构.它们之间的分界点分别是用扰流片宽无量纲间隙g/h=0.2,0.4.底部间隙0.2＜g/h＜0.4,底板压力分布基本保持不变,因此不会影响其应用于飞机部件的静态气动特性.      

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。