考虑湍流影响的前缘分离涡运动与破碎特性的研究

本文以Ｎ－Ｓ方程和Ｈａｌｌ涡核模型假设为基础，导出了描述湍流的涡核运动方程。利用差分计算方法，对三角翼前缘分离涡运动及其破碎特性进行了数值求解，分析了涡核流场的结构和各物理量的变化特性，反映了三角翼前缘分离涡运动及其破碎特性的实质，说明了湍流涡核方程能更有地模拟三角翼前缘分离涡运动和准确地确定涡核破碎位置，并得出了攻钐雷诺数对破碎位置的影响，计算结果与实验数据十分吻合。     

涡环相互穿梭产生的声及频谱特性

涡环的诱导与自诱导会引起同轴涡环的相互穿梭运动。在忽略涡核形状改变的前提下,利用涡声理论和理想流体中涡冲量守恒,可将远场声压用系统涡质心的轴向加速度表示。涡质心轴向运动加速度的变化是产生声的根本原因。在利用Biot-Savart公式得到涡环运动轨迹的基础上,对涡环穿梭运动产生的声及频谱特性进行了分析。涡环之间的初始轴向距离越远,所产生声的频率成分越丰富;相反,所产生声的频率成分越单一。     

跨音风扇激波/漏流涡干扰模型探讨

激波/漏流涡干扰系旋转运动与突然的逆压力梯度的强相互作用,引起各自形态和强度发生变化。涡破裂对风扇/压气机效率和稳定性十分不利。本文探讨了激波/漏流涡干扰的物理模型,通过求解涡核运动方程,分析了涡核特征参数对涡破裂的影响,为控制涡破裂提供了根据。      

地面效应对尾涡消散的影响研究

采用大涡模拟方法可以分析和计算近地阶段尾涡消散和运动规律,但模型繁琐、计算复杂。本研究基于镜像涡方法建立了形式相对简单、计算迅速的近地尾涡运动模型和消散模型,计算结果与激光雷达测量数据和大涡模拟数据的偏差都不超过5％,满足动态尾涡间隔研究的需要。     

模拟厚度翼型非定常运动的涡方法

本文研究二维厚度翼型的大攻角非定常运动。用沿翼型表面分布的源和面涡来模拟翼型的厚度效应和升力效应,应用离散涡方法模拟前缘分离涡层和尾涡层。计算了大攻角翼型作俯仰运动的情形,与实验结果符合较好。     

双三角翼前缘剖面形状对涡运动的影响

采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了前缘剖面形状对双三角翼涡运动的影响,分析了前缘剖面形状对三角翼、双三角翼涡运动影响的不同机理 :对三角翼,尖前缘可以形成组织最好的涡结构,但对于双三角翼,圆前缘生成的旋涡结构较靠近翼面,涡结构紧密,诱导能力较强,可以形成有利的涡涡干扰,使内翼涡通过剪切层向外翼涡输入涡量更加容易,合并涡变得更加稳定,推迟了涡破裂,而且由于涡较靠近翼面,因而可以产生较高的非线性涡升力,这同传统的认识是不一致的。     

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。     

带副翼偏转的三角翼自由滚转运动数值模拟

 通过耦合求解非定常Euler/Navier-Stokes方程和单自由度滚转运动方程,对带副翼偏转的65°后掠角尖前缘三角翼WI1-SLE自由滚转运动进行了研究,Navier-Stokes方程的求解采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟(DES)。在多块结构网格上,应用基于弧长的无限插值理论(TFI)生成变形网格,实现副翼偏转,而三角翼的滚转运动则通过网格的整体旋转实现。结果表明:Euler方程和DES方法均准确地模拟出了三角翼在滚转运动过程中存在的3个平衡位置。出现平衡位置的原因分别是:①流动对称性;②机翼左侧发生涡破裂的分离涡与右侧分离涡相互平衡使得滚转力矩为0,并且平衡位置仅与三角翼两侧涡强的差有关;③副翼偏转和左右机翼不对称分离涡涡强差产生的滚转力矩相互平衡。此外,滚转运动对副翼偏角幅值很敏感,幅值的微小改变会影响最终的平衡位置和向平衡位置运动的路径。     

射流-横向流相互干涉下旋涡的形成与衰减

射流-横向流干涉流场中存在三种不同的涡运动:附着涡,尾迹涡和剪切涡。本文利用荧光丝和七孔探针作为流场观测手段,研究了干涉流场中涡的形成机理及其相互干扰。此外,文中还分析讨论了影响流向涡的发展和衰减的主要因素。     

柱后旋涡运动离散涡方法数值模拟中的几个问题

本文简短评述用离散涡方法对圆柱绕流非定常旋涡运动进行数值模拟中的四个问题,即离散方法及涡面稳定性;边界层分离及新生涡位置;二次涡问题;尾迹涡中的环量减少问题等。文中还提出了尚需深入研究的课题。     

理想流体中二维椭圆涡产生的声

由于自诱导作用,椭圆涡会产生自旋运动,利用周线动力学结合涡声理论可得到理想流体中椭圆涡自旋运动辐射的远场声。在椭圆涡稳定自旋的前提下,推出了声源强度的解析表达式,并得到了数值模拟验证。研究表明:①椭圆涡的声源由两个振幅和周期相同、相位差π/2的横向四极子组成;②对横截面积和涡量相同的椭圆涡而言,其声辐射效率主要由椭圆涡的长短轴比σ决定。当σ=1时,其声辐射效率为0,即圆柱涡不辐射声;当σ≈2.618时,其声源强度最大;③椭圆涡辐射的声频率为其自旋频率的两倍。本文的方法不仅适用于σ接近于1的椭圆涡,对σ较大的稳定自旋椭圆涡也同样适用。     

突扩燃烧室低频压力振荡的大涡模拟

振荡燃烧是冲压发动机研制过程中面临的严峻问题,而振荡燃烧与涡运动规律密切相关,文中用大涡模拟的方法对突扩燃烧室冷态流动条件下的涡运动和低频压力振荡进行了模拟,并在此基础上得出了影响振荡频率和幅值的因素。     

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

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。     

空间结构涡激振动分析

大跨度拱桥、空间细长杆件等空间结构在较低的风速下可能产生周期性的横风向涡激振动.本文主要讨论了空间结构涡激振动非线性稳定态,特别是共振区域的稳态响应的求解.应用Scanlan提出的经验非线性模型表达涡激力,考虑风速沿结构高度变化,引入有限元方法和条带假设形成涡激振动运动方程.利用Wilson-θ法和Newton-Raphson迭代法对运动方程计算了涡激振动振幅,同时利用能量法对运动方程进行了求解.通过对简支梁和重庆菜园坝长江大桥的分析表明,用能量法求解和按照Wilson-θ法求解的结果是一致的.     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

关于旋涡定义的思考

针对旋涡定义这个长期未解决的难题,在分析历史上提出的几种思路的基础上,本文提出:定义旋涡的总目标,应当体现其管状运动形态,并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合;该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果,并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此,本文根据涡量场演化的已知规律,提出了旋涡的一个动力学定义,作为继续深化讨论的参考。同时提出,人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据,虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用,但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下,近十年来形成的涡量面理论,有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。     

微型扑旋翼的运动测量与气动特性分析

采用实验测量和数值仿真相结合的方法研究了微型扑旋翼多自由度复杂运动及运动与气动特性之间的相互作用。基于机械式扑旋翼运动模型,使用高速摄影测量和数字图像处理的方法,测量了扑旋翼的运动与变形,并将此结果作为数值仿真的输入,进一步研究了翼的气动特性。结果表明:1)扑旋翼的拍动角近似三角波变化,旋转角随时间线性增加,俯仰角在初始迎角附近波动,并有三个波峰;2)弦向弯曲度的变化规律近似为三角波,沿展向不同位置有相位差异,展向扭转角的变化规律接近于梯形波;3)扑旋翼运动产生的翼尖涡、前缘涡与后缘涡形成了复杂的涡环,涡结构的变化决定了翼的瞬态气动力的产生;4)扑旋翼的柔性变形能够带来平均和峰值升力的提高。     

直方管内充分发展湍流的大涡模拟 第二部分

本文第一部分用大涡模拟的方法对直方管内Ｒｅ＝４．９×１０￣４的充分发展湍流运动进行了数值模拟。所得结果证实大涡模拟是高雷诺数复杂湍流运动数值模拟的一个有效手段。在本文第二部分用所得的数据库对湍流运动的结构和形态进行了分析，并且用流体质点运动图形显示了湍流运动的二次流。     

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。