关于约束大涡模拟方法的一些思考

高雷诺数壁湍流是工程设计和应用中非常重要的问题之一,其高效高精度的模拟方法一直是湍流研究的重要研究方向。约束大涡模拟方法(CLES)是近些年提出的新模拟方法之一,和传统的RANS/LES混合方法不同,CLES在全场做LES计算:在靠近壁面的内区,它采用带约束的亚网格模型,而在外区,它使用传统的亚网格模型。经过近10年的努力,CLES方法已经在不可压/可压缩附着流、不可压缩/可压缩分离流等经典算例中得到了验证,并成功应用于航空气动中复杂流动的模拟。本文在介绍CLES方法基本原理的基础上,对CLES方法应用中的一些问题进行了讨论,最后对CLES方法的未来研究方向也做了一些概括。     

惯性静电约束推力器放电过程数值模拟研究

为了研究惯性静电约束推力器(Inertial Electrostatic Confinement Thruster,IECT)的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,基于圆柱形惯性静电约束推力器的结构,研究不同栅网线直径、栅网个数、推力器尺寸条件下等离子体放电情况和阴极电压、背景气压对推力器放电的影响。结果表明:在所研究条件下,保证阴极必要的几何透过率的同时,适当增加推力器栅网个数可以提高喷射离子密度,减小羽流发散角;随着阴极电压和背景气压的增大,推力器喷射的等离子体密度增大。但是,压强继续增大会达到临界值,等离子体被约束在推力器内部无法喷出,即喷射模式无法运行,故阴极电压与背景气压对IECT均有较大影响。     

基于MSFLE与Liutex的涡合并实验研究

应用具有拉格朗日性质的运动单帧长曝光(MSFLE)图像测量方法,对矩形管内湍流边界层涡结构合并现象开展了实验研究。研究了雷诺数Reθ在97到194之间管道湍流边界层流向-法向平面内涡合并现象。在实验中,测量系统以与涡运动速度相近的速度匀速移动,采用连续长曝光记录示踪粒子运动轨迹,以捕捉涡随时空的演变过程,骨架提取图像处理算法获得示踪粒子速度,并应用Liutex物理量表征涡的旋转强度。研究表明:MSFLE方法测量装置简单,对实验条件要求低,可从拉格朗日视角直观测量湍流边界层涡结构及周围流场的时空演变过程,MSFLE图像测量方法与Liutex涡识别算法结合可以很好地应用于湍流边界层涡结构的可视化与量化。矩形管内湍流边界层涡合并的条件是两个涡相邻、强度和尺寸基本相同且为同向旋转涡,合并中两个涡的强度呈反向变化,合并生成的新涡的强度和尺寸基本为初始合并时两个涡之和,且旋转方向与两个涡同向。     

短试验段内格栅湍流场风洞试验研究

为在轴向距离较短的风洞中调制出局部高湍流场，利用风洞试验的方法，对5种格栅（2种方型格栅、3种竖条格栅；3 cm × 3 cm截面铝制型材组装）后的近流场区域进行热线风速仪测量，得到格栅后近场区域的湍流参数分布及各向同性特性，依据相关湍流参数的变化规律，引入无量纲量拟合近场区域湍流强度变化规律经验公式，拟合优度为0.96。分别利用经典和现代谱估计对湍流功率谱密度进行分析，对比发现不同形式的谱估计均能准确预测近场区域湍流功率谱密度，仅在低频处存在偏差。通过改变格栅与测点距离、来流速度以及栅条结构的形式，可以改变格栅湍流场中的能量结构。     

火焰星云之内

在这幅1400光年远、挤满恒星形成区的猎人腰带光学影像里，火焰星云是相当醒目的天体。钱德拉天文卫星的X射线数据和斯皮策空间望远镜的红外光影像，能让我们一窥这些辉光云气和不透光尘埃云后方的景观。这张由×射线与红外光数据组成的重叠影像，涵盖了火焰星云中心约15光年的区域。     

磁流体湍流中的结构和能量传输

磁流体湍流中存在多种相干结构,包括电流和涡旋结构。文章主要对近几年有关磁流体湍流相干结构及其相关的能量传输的一些工作进行了介绍。不同于中性流体湍流中的管状结构,磁流体中的相干结构多呈现为片状,强电流片附近也存在强涡片结构。磁流体湍流中的能量级串使能量跨尺度从大尺度传递至小尺度;与中性流体湍流能量传输主要集中在相近尺度上不同,磁流体湍流除了动能传输,还有磁能传输,以及动能与磁能之间的跨尺度互相转换。研究表明,磁流体湍流中的能量传输及耗散具有强间歇性,集中在较小区域范围,且与相干结构存在关联。在存在背景磁场的情况下,磁流体湍流中的相干结构在背景磁场方向上被拉长,而同样方向上的能量传输受到抑制。在高马赫数的情况下,激波的产生会使能量传输明显增强,同时带来很强的间歇性,结构函数标度律远远偏离线性标度关系,并且随着阶数的增加,标度指数会达到饱和值。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

湍流控制屏声学校准及校准精度影响因素

湍流控制屏（TCS）是航空发动机风扇噪声试验必备的试验设施。由于湍流控制屏的作用,风扇前传噪声向远场传播时会产生传递损失。通过对湍流控制屏的声学校准,可以获取湍流控制屏的声学修正量,从而实现对风扇前传噪声的修正。本文结合实际工程应用条件,分析了湍流控制屏重复安装的位置精度、校准声源重复性、稳定性、校准声源位置偏差、温湿度修正等因素对湍流控制屏声学修正量精度的影响;结合上述影响因素,对湍流控制屏160 Hz~40 kHz的声学修正量的特征进行分析,总结工程应用中湍流控制屏高精度声学校准的注意事项,提出湍流控制屏的声学校准应包含测量不确定度。     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

膨胀效应对激波/湍流边界层干扰的影响

采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,30°激波角的入射激波与膨胀角湍流边界层干扰问题进行了数值研究。入射激波在壁面上的名义入射点固定在膨胀角角点,膨胀角角度分别取为0°、2°、5°和10°。通过改变膨胀角角度,考察了膨胀效应对干扰区内复杂流动现象的影响规律和作用机制,如分离泡、物面压力脉动特性、膨胀区湍流边界层和物面剪切应力脉动场等。研究发现,膨胀角角度的增大使得分离区流向长度和法向高度急剧降低,尤其是在强膨胀效应下分离泡形态呈现整体往下游偏移的双峰结构。物面压力脉动功率谱结果表明,膨胀角为2°和5°时,分离激波的非定常运动仍表征为大尺度低频振荡,而膨胀角为10°,强膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡,加速了下游再附边界层物面压力脉动的恢复过程。膨胀区湍流边界层雷诺剪切应力各象限事件贡献和出现概率呈现逐步恢复到上游湍流边界层的趋势,Görtler-like流向涡结构展向和法向尺度变化剧烈,同时在近壁区将诱导生成大量小尺度流向涡。此外,物面剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,膨胀效应的影响体现在低阶模态能量的急剧降低从而使得高阶模态的总体贡献相对升高。