守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法，能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律，且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究，若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流，需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法，本文基于欧拉参考框架，针对可压缩湍流的特性，将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量，并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进，开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程，在随机性模块中构造一维涡时，将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量，并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对，验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合，精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM），且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

不同流速比超声速混合层气动光学效应研究

针对不同流速比混合层流场气动光学效应问题，首先采用大涡模拟数值方法进行了数值仿真，其次用光线追迹方法进行了气动光学效应仿真，最后对混合层的气动光学效应进行了评价。结果表明，混合层流场涡结构与光程差极小值存在一一对应关系，并且其流速比低的混合层气动光学效应更加严重。同时，研究了不同光学参数对斯特列尔比的影响，得到了相应的规律。     

亚超剪切混合层燃油雾化特性试验研究

为了摸清亚超大梯度剪切混合层内直射式喷嘴的燃油雾化特性，设计了用于向亚超剪切混合流中进行燃油喷射的直射式喷嘴，建立了亚超剪切混合层中燃油雾化试验系统。利用粒子图像测速系统（PIV），对亚超大梯度混合层中油雾场进行测量。通过改变喷嘴流量、喷射角度和喷嘴数量研究不同参数对雾化特性的影响，并应用图像处理技术对亚超大梯度剪切混合层内的油雾场进行分析，总结归纳其雾化规律。试验结果显示：随着流量增大，穿透深度会随之增大，破碎后的颗粒分布峰值所对应的液滴直径会逐渐变小，雾化效果提升；相同流量条件下，喷嘴的角度改变对雾化效果有影响，顺喷和逆喷的雾化效果均好于垂直喷射；逆喷的喷射高度最高，随着流量的增长，燃料将会碰壁；顺喷条件下，随着角度的增加，穿透长度会有所增加；综合燃油轨迹边界，逆喷的效果相对较好。相同流量条件下，喷孔个数的改变对雾化效果和穿透深度的影响不大。     

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.     

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

波瓣穿透率对波瓣混合排气系统性能影响

基于Navier-Stokes方程组对某型涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统进行了数值模拟,获得了波瓣长度以及扩张角分别不变时,不同穿透率模型的流场、涡量场的变化规律,揭示了通过不同方法改变穿透率对强迫排气系统混合性能的影响。模拟结果表明,在排气系统出口处,当瓣长一定时,热混合效率随穿透率的增加先增加而后逐渐趋于不变,当波瓣扩张角不变时,热混合效率随穿透率的增加而增加;总压恢复系数和推力系数随穿透率的增加均不断降低。     

超声速尾迹-剪切流的混合增强

超声速条件下燃料和空气之间的高效混合是超然冲压发动机技术上的主要挑战。基于大涡模拟和流动稳定性分析，针对超声速尾迹-剪切流动开展了混合增强方法研究。尾迹的存在改变了混合层流动的速度剖面，对流动稳定性产生了重要影响，使混合层由三维最不稳定变为二维最不稳定，最不稳定扰动波频率和增长率增大。基于流动稳定性结果引入扰动的混合增强方式依然有效，根据稳定性结果设计了波纹隔板。数值结果表明：二维波纹壁引入的扰动未能增长，不具备混合强化效果，而三维波纹壁引入的扰动能够快速增长，具有混合强化效果，且波纹壁参数越接近最不稳定扰动波参数，混合强化效果越明显。     

扰流环对粉末发动机燃烧流动影响的数值模拟

为了提高粉末火箭发动机的燃烧效率,通过数值模拟方法研究了扰流环的有无、通径及位置对燃烧室燃烧流动特性的影响。结果表明:扰流环会增强Al颗粒和气相的掺混和换热程度,促进Al颗粒蒸发和燃烧,从而提高粉末火箭发动机的燃烧效率。当扰流环通径比在0.538~0.846范围内时,扰流环的通径越小,燃烧效率越高;当扰流环头部距离比在0.3~0.8范围内时,扰流环位置离头部越近,燃烧效率越高。设计扰流环时,应在距离燃烧室头部30%~40%的位置布置小通径的扰流环。      

基于电磁流体动力搅拌器的微流道混合研究

对于许多微流体装置来说，流体的混合是至关重要的。为了实现微流体混合控制，对基于电磁流体动力学原理的微流道主动混合控制方法进行了研究。该方法中使用了一个混合室，在动态洛伦兹力的作用下，混合室内流体往复周期的运动。流体速度的周期性变化使流体分界面折叠，从而使流体接触面增加。用CCD记录设备记录了流体的快速混合过程，并对流体的混合程度进行定量分析。     

基于混合控制集预测控制的永磁同步电机电流脉动抑制方法

模型预测控制(MPC)技术近年来在高动态性能电机驱动系统中应用广泛。为了克服传统MPC技术中有限控制集(FCS)造成的稳态电流脉动问题,提出了一种基于混合控制集(MCS)预测控制的永磁同步电机(PMSM)电流脉动抑制方法。分析建立PMSM预测控制系统离散数学模型,并分析电压矢量精度与电流脉动之间的关联性；在此基础上,MCSMPC将电压源型逆变器有限的有效电压矢量数,扩展为多个以占空比形式存在的虚拟电压矢量,并基于上述虚拟电压矢量完成MPC优化问题在线求解；此外,考虑到MCSMPC系统的参数敏感性问题,对MCSMPC系统反馈噪声问题进行分析讨论。最后,搭建双15 kW PMSM对拖样机测试平台进行试验分析,分析内容包括MCS方法动态跟踪特性、电流脉动稳态效果。试验结果表明所提出的MCSMPC方法在保留了传统预测控制技术高动态响应的基础上,可有效降低PMSM稳态电流脉动幅度和运行噪声。