高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用

针对斜激波入射流向涡对形成的复杂流动干扰现象,在来流马赫数6条件下,利用后掠斜坡式涡流发生器生成流向涡对,采用数值模拟结合激波风洞实验,研究了斜激波与流向涡对相互作用引起的激波变形和旋涡演变。结果表明,斜激波与流向涡对相互作用的剧烈程度大致分为强、中、弱三种。在强相互作用下,激波面向上游凸起的程度最剧烈,呈现类“T”字型特征,其对称面处接近于一道正激波,波后出现回流区和局部流动滞止,使得流向涡对发生破碎;在中等相互作用下,对称面处存在局部正激波,但没有出现回流区;在弱相互作用下,不再出现局部正激波。进一步地分析发现,斜激波与流向涡对相互作用产生的流向涡对破碎现象,不符合经典的激波作用下单个流向涡破碎理论的预测。采用流向涡对对称面处的气流参数,对经典的流向涡破碎理论进行修正后,能够预测本文流向涡对在斜激波作用下是否发生破碎。本文为掌握激波作用下流向涡对破碎现象的规律,提供了重要参考。     

射流涡发生器对激波边界层作用诱导的流体分离控制大涡模拟研究

为了研究射流涡发生器对激波边界层作用所诱导的流动分离控制机理及其流场特性,基于大涡模拟(Large eddy simulation)方法和高阶TCD/WENO混合格式,对来流马赫数Ma=2.5情况下,平板上射流涡发生器对激波与边界层相互作用所诱导流场进行了数值模拟。结果表明,射流涡发生器对激波边界层的流体分离有一定的抑制作用,与无控制情况相比,射流作用下进出口总压恢复系数由85.9%提高到94.6%。射流尾涡主要集中于一环状区域内,在该区域内,入射激波与马蹄涡、桶形激波上方的涡管以及剪切涡相互作用,导致整体尾流被激波往下压缩。同时在激波的压缩下,各涡之间相互缠绕、挤压合并,形成多个流向小涡结构,将边界层外的高速流体卷入边界层内,从而增加边界层底层能量,达到抑制流动分离的目的。     

非定常激励下等离子体DBD诱导涡特性研究

在非定常激励下,等离子体DBD诱导涡是影响等离子体流动控制效果的关键因素,研究静止大气下DBD诱导涡结构特性对进一步理解等离子体DBD流动控制机理具有重要意义。采用高频PIV与高速纹影系统对静止大气下DBD诱导涡结构进行了研究,通过λ2法则分析了诱导涡涡核移动规律,获得了非定常激励下诱导涡的演化规律以及脉冲频率对诱导涡结构以及尺度的影响。在一定脉冲频率内,DBD诱导涡生成速率与脉冲频率一一对应,诱导涡涡核移动方向与壁面呈16°～21°,随着脉冲频率的增加,诱导涡尺度逐渐变小,且越来越靠近壁面。全文总结了不同脉冲频率下涡的相互作用以及黏性耗散对诱导涡发展过程的影响。     

涡流发生器控制喷水推进器进水管流动分离的数值研究

为抑制某型喷水推进平入口进水管低进速比下管内流动分离,提升喷射泵来流的品质,应用涡流发生器（VG）流动控制技术,在进水管内部以及入口前的船底加装涡流发生器。采用雷诺时均模型和SST-kω湍流模型数值模拟进水管内流场,从流动分离、涡系分布和整体性能等方面分析了不同位置VG对进水管流场特性的影响,揭示了VG抑制进水管流动分离的控制机理。结果表明,VG产生流向涡驱动主流与斜坡侧边界层低能流体进行动量交换,增加边界层内的流向动量,从而抑制进水管斜坡侧的流动分离。流向涡在分离区内会发生方向偏移导致进水管内流场不对称。VG在进水管内产生的流向涡强度以及自身附加损失都会影响其控制效果。通过优选VG安装位置,进水管出口的不均匀度系数从0.406下降至0.318,旋流度从3.23°下降至2.14°,出口总压畸变减小,整体效率得到有效提升。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

基于新型丝状电极等离子体激励器的前体涡控制（英文）

本文首次将新型丝状暴露电极DBD等离子激励器应用于大迎角下细长体非对称涡控制。丝状暴露电极的材料的选择对DBD推力以及推力效率至关重要,通过地面精细推力测量对丝状暴露电极等离子体激励器进行了优化,结果表明,本文研究材料中采用钨丝作为暴露电极,其推力效率最优;且随着电极直径从d=0.3 mm减小到d=0.08 mm,DBD推力效率显著提升。基于优化后的DBD激励器,将其应用于前体非对称涡控制:未施加等离子体控制时,压力测量以及PIV结果均表明细长体背风区流场为明显的非对称涡结构;在等离子体激励下,该非对称涡结构可变为对称甚至反向非对称,且非稳态激励控制能力明显优于稳态激励。研究发现,大迎角下细长体非对称涡控制与背风区原始涡系结构有关,其中包含对称涡系和非对称涡系。本文研究为大迎角下细长体非对称涡控制提供了一种新思路,同时也为丝状暴露电极DBD等离子体激励器的应用提供参考。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。     

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义。利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析。结果表明：流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的。     

不同深宽比陷窝诱导涡结构分析

陷窝所诱导的旋涡强化动量或热的交换,使得陷窝在分离流动控制和强化对流传热研究中很受关注。深宽比是影响陷窝诱导涡结构的重要参数,开展了深宽比对陷窝诱导涡结构影响的研究。研究发现,深宽比为0.06时,涡结构为马蹄涡;深宽比为0.1至0.14时,涡结构为闭式分离泡;深宽比为0.16至0.20时,涡结构为对称类龙卷风涡;深宽比为0.22至0.30时,涡结构为非对称类龙卷风涡。通过涡核涡强度对比发现,过深的陷窝和过浅的陷窝其内涡强度均比中等深度陷窝弱。     

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

三角柱体对机翼根部马蹄涡的影响

在现有文献的基础上,采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE数值模拟算法,进一步探讨增加宽度比的三角柱体对于角区马蹄涡的影响。结果显示当三角柱体宽度在一定范围内增加时,马蹄涡的控制效果得到进一步提高。定义的涡强系数(基于涡心位置及马蹄涡的涡量)能很好地表征马蹄涡的强度。当三角柱体宽度与机翼厚度相同时,即宽度比为b/T=1(b为三角形宽度,T为机翼最大厚度)时涡强系数降到原来的27%。文中的三角柱体的高度仅为机翼厚度的1/20,和当地边界层的厚度相当。此种三角柱既能控制马蹄涡,又不会引起流场的整体剧烈变化。     

旋涡发生器对叶片根部马蹄涡的影响

针对简化了的叶片-平板结构,在叶片上游平板上的某位置布置旋涡发生器影响马蹄涡.数值模拟了不同高度旋涡发生器作用下的角区湍流流动.结果表明:任何一种旋涡发生器都能不同程度地削弱马蹄涡系,高度为2mm的旋涡发生器能使这种削弱作用达到最大;另外,随着高度的增加,叶片两侧的涡腿有向叶片聚拢的趋势.提出的方法无需额外消耗能量,为一种被动的控制手段,有很大的实际应用前景.布置旋涡发生器的控制方法简单实用,工程中采用该法是不错的一种选择.      

利用上游槽道对角区马蹄涡的控制

在平板上放置圆柱形成角区流动,利用布置在圆柱上游平板上的二维和三维槽道来控制或削弱角区马蹄涡,采用风洞试验和数值模拟开展研究。结果表明,二维和三维槽道均能推迟边界层的分离,使圆柱根部马蹄涡的强度减弱、尺度减小;同时槽道上游压力和逆压梯度均有所下降,槽道下游压力显著升高而逆压梯度总体降低。二维槽道对马蹄涡强度的削弱为61.15%~66.51%,而三维槽道对其削弱为66.65%~80.93%。讨论了三维槽道参数(包括槽道宽度、深度以及其中心线与圆柱中心距离)对控制效果的影响。槽道与圆柱的距离在对马蹄涡的控制中起主导作用。槽道控制的机理是,由于槽道的抽吸效应使得其上游靠近壁面的边界层中涡量较高的流体被卷吸入槽道形成槽道涡,槽道涡由三维槽道输运到下游。同时,随着槽道与圆柱的距离减小,更多的边界层流体流入槽道内。正是上述"槽道效应"使得槽道下游的逆压梯度降低,马蹄涡强度减弱,分离区范围减小。     

文氏效应在叶片根部马蹄涡控制中的应用

为研究文氏管在叶片根部马蹄涡控制作用的应用,针对简化了的叶片-平板结构在叶片上游平板上的某位置开狭缝,在平板的另一侧构造一文氏管(文氏管的喉道位于狭缝处),引射叶片根部的流体,进而控制马蹄涡.数值模拟了不同狭缝位置的湍流流动;结果表明了改变狭缝相对于叶片的位置能很好地控制马蹄涡,甚至能完全消除叶片前马蹄涡.提出的方法可以利用外势流的能量而无需额外消耗能量,为一种被动的控制手段,有很大的实际应用前景.利用文氏效应的控制方法简单实用,因此工程中采用该法是不错的一种选择.      

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。