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。     

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

叶片通道内涡流发生器变工况适应性

横向二次流是制约叶轮机气动负荷进一步提升的主要因素。在叶片通道内施加涡流发生器有抑制通道横向二次流的潜力,但涡流发生器的最优施加方案很难确定。基于涡流发生器经验统计模型(BAYC模型)和响应面方法建立了一种端壁涡流发生器的高效设计方法。基于这一方法,实施于NACA 65直列叶栅,得到了三种涡流发生器优化方案,并在设计工况下和非设计工况下讨论了涡流发生器对端壁横向二次流的控制机理,发现具有更大的涡流发生器高度和更多的涡流发生器数量的方案在面对大攻角下的强横向二次流情况时能够有更强的余力对横向二次流加以控制,大大扩展了叶栅的攻角适用范围。      

高超声速飞行器前体边界层强制转捩数值模拟

边界层强制转捩是保证超燃冲压发动机进气道正常启动的关键技术之一,k-ω-γ转捩模式是适用于高超声速边界层转捩预测的方法。为研究该方法对边界层强制转捩的预测性能及不同转捩带对边界层强制转捩的影响特征,对原始的k-ω-γ转捩模式进行了壁面温度影响修正,采用修正的k-ω-γ转捩模式对高超声速飞行器进气道前体边界层强制转捩进行数值分析,计算了光滑外形、钻石型转捩带外形和斜坡型转捩带外形在马赫数Ma=6,7条件下的边界层转捩,并与试验结果进行了对比。研究结果表明,修正的k-ω-γ转捩模式对边界层强制转捩具有较好的预测能力,计算得到的转捩起始位置与试验结果基本吻合。两种转捩带强制转捩效果明显,其中:钻石型转捩带产生的扰动强于斜坡型转捩带,且转捩区长度较斜坡型转捩带短;斜坡型转捩带在控制边界层流动分离、减小流动横向溢出效果上优于钻石型转捩带。     

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。     

涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响

为了研究涡流发生器周向相对位置和高度对高负荷风扇性能的影响,根据风扇的流动特点,设计了在第二级静子叶根入口前加涡流发生器的流动控制方案,并以此为基础提出了多种不同周向位置和高度的涡流发生器方案,通过计算对采取各种方案下的流场进行了分析。研究表明,涡流发生器对风扇第二级静子角区气流分离有较好的控制作用;涡流发生器的周向位置对第二级静子角区气流分离和损失的影响较大,采取方案C时可以更好地抑制角区气流分离,减少局部损失;涡流发生器高度过高会使静子压力面出现不同程度的低速区,同时也会引起静子通道内局部损失增加,在所研究的范围内,当涡流发生器高度降低1%叶高时,其对吸力面角区分离的控制效果更加明显。     

SA和SST湍流模型对高超声速边界层强制转捩的适应性

凸起物是高超声速流动中常用的一种人工转捩装置。采用高阶精度算法模拟了高超声速进气道压缩面上的强制转捩流动,转捩装置为一排高度为1mm的钻石型凸起物和斜坡型凸起物。考察了Spalart-Allmaras(SA)模型和剪切应力输运(SST)湍流模型对该问题的适应性。在考察过程中通过丰富的算例分析了网格规模、可压缩修正和空间离散格式等对计算结果的影响。在层流区,计算能与试验取得非常一致的结果。但在湍流区,计算得到的热流通常高出试验数据。经分析发现其原因是强制转捩的湍流边界层与自然转捩的湍流边界层在涡结构上存在较大差别,使得湍流模型的效果较差。针对高超强制转捩湍流涡结构丰富的特点,对SST湍流模型进行了修改。计算结果表明,该修改方法对提高热流精度具有一定效果。     

前置翼片式涡流发生器对燃烧室氢气燃料掺混特性的影响

超声速来流与燃料的充分掺混是超声速燃烧的关键技术，直接关系到吸气式高超声速推进系统的总体性能。本文通过在射流口前安装翼片式涡流发生器以促进燃料与空气的掺混。基于SST k-ω湍流模型的RANS方法，对带有翼片式涡流发生器的超燃冲压发动机燃烧室模型内氢气横向喷流冷流流场进行了数值模拟，对比分析涡流发生器高度和长度不同的条件下燃烧室内的流场结构、涡流强度、氢气与空气掺混特性、燃烧室总压损失的规律。结果表明，翼片式涡流发生器能够提高涡流强度并大幅提高燃烧室内的掺混性能。随着涡流发生器高度和长度的增加，流场结构间的干扰增强，导致涡流强度和穿透深度增加，从而提升掺混效率。与不安装涡流发生器情况相比，涡流发生器能提升氢燃料的穿透深度超过170%，减少燃料掺混距离70%以上。更加复杂的流场结构同时会增大燃烧室的总压损失，并随着涡流发生器高度和长度的增加而增大。相较于掺混性能的提升，总压损失的增大幅度相对小很多，说明通过合理的参数选择，翼片式涡流发生器能够有效提升燃烧室的掺混性能。     

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

埋入式涡流发生器在亚音扩压器分离流控制中的应用

本文介绍了在一个大宽高比大扩压角二元亚音扩压器中采用适当几何参数的凹型面埋入式涡流发生器有效地控制扩压壁和角落区域分离流的试验结果。并分析了该型式涡流发生器主要几何参数对扩压器性能的影响。还对该型式涡流发生器与常规翼型式涡流发生器进行了比较。      

强制转捩对高超声速进气道性能影响

针对一个高超声速进气道,设计了不同高度的钻石形和斜坡形转捩带,在来流马赫数为6,攻角为1°工况下,通过风洞试验与三维数值模拟相结合的方法,研究了转捩带对进气道壁面热流密度、压强、隔离段入口处总压和马赫数分布的影响.数值计算与风洞试验在壁面压强、进气道总压和马赫数上吻合较好,在壁面热流密度上相差约35%.研究结果表明:钻石形和斜坡形转捩带都可以有效地实现强制转捩.此外,随着转捩带高度的增加,转捩区域逐渐前移,直至转捩带后缘.对于已经起动的进气道,转捩带对进气道下壁面静压几乎不产生影响,但会使得隔离段下壁面附近的总压和 马赫数有所下降,从而导致从隔离段入口直至整个隔离段的质量加权总压和流量均下降3.5%左右,而质量加权马赫数的下降量则并不明显,在1%左右.      

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.      

三角形埋入式涡流发生器几何参数对其涡的影响

试验研究了三角形埋入式涡流发生器几何参数对其涡各参数的影响，发展了半片式三角形埋入式涡流发生器。试验中采用小型五孔探针获得涡流发生器后不同轴向截面处的速度矢量图，用高斯涡核模型及非线性拟牛顿最小二乘法拟合涡量、涡核半径、涡心高度等参数，分析了这些参数沿程变化趋势。     

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

平板上有叶片绕流的源项模型

将源项模型应用于叶片涡流发生器的数值模拟中, 以叶片在当地流场中产生的升力作为源项一个分量原型, 并引入了法向力作为源项另一个分量原型.该源项由叶片的形状、大小、位置以及来流条件等参数决定.在数值模拟中, 叶片位于平板上, 其高度约为当地边界层厚度的1/5.在相同计算条件下, 对"升力-法向力"源项模型计算结果和全网格计算结果及实验数据进行比较.源项模型可以得到与全网格数值模拟基本一致的诱导速度场和涡量场, 而网格量减少了65%.      

民用支线飞机失速特性优化中关于机翼上表面涡流发生器的研究

飞机在飞行过程中迎角超过临界值后,机翼上表面原本附着的气流开始发生大面积分离,此时升力系数随着迎角的增大反而下降,这种现象称作失速。当飞机失速时,操控会受到很大的影响,是一种危险的飞行状态。某民用支线飞机在试飞中发现失速特性主要受滚转失速的影响,在达到最大升力系数之前就出现了不可接受的失速特性,失速进入过程中,副翼操纵效率降低较快,快接近失速时飞机出现急剧的滚转。涡流发生器在民机中有广泛的应用,可以改善机翼的流动分离从而提高失速特性,并且有改动小、可行性高等优点。拟通过在机翼上表面安装涡流发生器的方法来改善某民用支线飞机的失速特性。利用数值计算等方法设计出涡流发生器的位置、高度、偏角以及数量等参数。通过低速高雷诺数风洞试验来验证涡流发生器的实际效果,最后得出几种效果可观的涡流发生器方案。     

空气涡流器的机理实验

 本文首先用实验表明了空气涡流器可以改善未分离和分离的附面层,其效果可与金属涡流器相比美。而后用荧光微丝法找到空气涡流器后的涡,并找出了涡的轨迹与强度随射流速比、射流侧射角等的变化情况。最后通过水洞中的观察,初步弄清了空气涡流器涡的形成的机理。本文对空气涡流器的设计理论基础进行了一一些探索。     

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。