交叉剪切混合层中拟序结构的数值研究

采用拟谱方法对时间模式的交叉剪切混合层进行了直接数值模拟。计算结果表明:与平面混合层一样,展向涡的拉伸作用是交叉剪切混合层中流向涡形成的主要机制。当展向剪切强度较大时(如两主流交叉角为40°),与初期展向KelvinHelmholtz相关的单向旋转流向涡在拉伸作用下很快增长起来,并“坍缩”成“肋状”涡。当交叉角为40°时,涡核区存在类似平面混合层中“方块状”涡的流向涡结构,展向涡辫区还存在一组符号相反的流向涡,不过与“肋状”涡对应的涡结构呈扁平状,始终没有“坍缩”。当交叉角为60°时,“肋状”涡非常强,以致完全抑制了平面混合层“对称模式”的发展。当交叉角小到20°时,流向涡结构更接近于对称分布,然而“肋状”涡却没有形成。另外,计算结果还证实:与二维混合层相比,大强度展向剪切的引入能够加强流场的混合,同时,适当增加展向扰动波初始强度和波数也是提高混合效率的有效手段。     

空泡溃灭过程中的压力波能分析

本文对单泡以及多泡的溃灭过程进行了数值研究,重点分析了其中的能量传递机制。考虑流体介质的黏性、表面张力以及压缩性,建立了模拟空泡运动的两相流控制方程。首先对单泡溃灭过程进行了数值模拟和验证,随后分析了单泡溃灭过程中的能量变化,发现能量首先从空泡势能传递到流场动能,再从流场动能传递到压力波能。在多泡溃灭过程中,发现泡泡间存在强烈的相互作用。外层空泡运动快于内层空泡,能量逐渐聚集在中心泡上,导致中心泡溃灭辐射的压力波能要远高于单泡。无论是单泡还是立方体布置的多泡,随着近壁距离的减小,释放的压力波能逐渐降低。在无量纲近壁距离γ=1.5下,波能转化率约为10%的量级。     

利用分区ALE算法数值模拟圆柱湍流涡致振动

用分区算法结合任意拉格朗日-欧拉法(ALE)数值模拟了圆柱湍流涡致振动.求解基于非交错网格系统,压力求解采用压力泊松方程提法,湍流模型采用标准k-ε模型和重整化群(RNG)k-ε模型.计算取中等雷诺数Re=5000、10000、15000、25000、50000等,质量系数M=10.阻尼系数ζ=0.00331,自振频率fn=0.18315、0.1628.计算结果表明:湍流涡致振动下圆柱时均阻力系数大于孤立圆柱绕流,而升力系数(振幅)值都小于孤立圆柱绕流.随着雷诺数增大,湍流粘性系数随之增大,但湍动能和湍流耗散率变化趋势不明显.对孤立圆柱绕流,研究结果与前人实验结果基本相符.     

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响.结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势.在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率.本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础.     

亚声速无人机S弯进气道的多点多目标优化设计

为提高亚声速无隔道式S弯进气道的整体气动性能,本文以提高总压恢复系数和降低畸变指数为设计目标,结合高精度数值模拟方法与第二代非劣排序遗传算法（NSGA-II）,开展了无隔道式S弯进气道在马赫数0.25和0.7时的多目标优化设计。整个优化流程基于400个样本,最终得到四幅有效Pareto前沿图。从总压畸变Pareto前沿图中选取出优化算例并与原始进气道进行对比,结果表明：优化后的进气道中心线斜率入口段小、出口段大,而横截面面积分布的曲线斜率恰好相反;优化后的进气道低压区缩小、流动分离得到有效的控制;虽然总压恢复系数提高有限,但是总压畸变得到大幅降低,在马赫数为0.25和0.7时,分别降低15.86%和23.61%。优化后的进气道在马赫数0.25~0.7范围内的整体性能得到有效改善。本文把优化设计方法进一步推广应用于3个马赫数下的多点多目标优化设计,并得到了三维Pareto前沿图。     

单气泡上浮运动的层析PIV实验研究

为了揭示上浮过程中的尾流涡结构及其与气泡之间的相互作用，分别采用阴影图像法和层析PIV技术，对单个气泡在静止水中自由Z字型上浮的过程进行了实验研究，得到气泡的形状、运动和三维的尾流速度场。采用"λ" _"ci" 涡判据和有限时间李雅普诺夫指数（Finite-Time Lyapunov Exponent，FTLE），从速度场识别出三维的尾流涡结构和二维的拉格朗日拟序结构。结果表明，Z字型上浮过程中，气泡周围环绕有涡环，涡环会沿运动路径脱落交替的、方向相反的发卡涡；单个发卡涡脱落过程中，涡环一侧的FTLE脊线会闭合形成拉格朗日涡。由此可得到结论，发卡涡的周期性脱落，使涡环相对于气泡的对称性被周期性交替破坏，导致气泡形成Z字型周期运动；单个发卡涡脱落过程中，涡环两侧各自对发卡涡的流体输运存在显著差异。     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。