基于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究

在湍流状态下,利用计算流体力学(CFD)技术,对一系列布置不同尺寸顺流向脊状结构的表面进行了数值模拟。模拟过程采用Reynolds应力方程湍流模型,并且编制程序设定了充分发展的湍流入口边界。通过与光滑表面比较发现,脊状结构附近产生的流向涡是脊状表面减阻或者增阻的重要原因。流向涡改变了近壁面流场结构,引起了边界层近壁区雷诺应力和壁面剪应力的变化,脊状表面也因此出现了减阻或者增阻的现象。     

脊状表面的加工成型技术及其减阻试验研究

为了研究脊状表面的减阻特性,采用数控加工技术在有机玻璃平板上制备脊状表面.在制备过程中,成功解决了脊状结构尺寸的确定、材料的选择、表面粗糙度的提高等问题.利用热线风速仪在低速风洞中分别对光滑表面和多个脊状表面进行了流场测试,获得了湍流边界层内流动参数的分布情况.试验结果表明,脊状表面改变了边界层内的流场结构,抑制了湍流...     

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

沿流向微结构沟槽流场直接数值模拟

采用高阶格式对覆有V型对称沟槽表面的槽道湍流流动进行了直接数值模拟,数值方法采用有限差分法。为精确求解沟槽壁面的湍流流动,对流项的离散采用7阶WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式;时间推进采用分数步时间推进与低耗散、低色散Runge-Kutta方法（LDDRK方法）结合的格式;黏性项的离散采用6阶中心格式。模拟的雷诺数为5 000（基于槽道高度的1/2）,计算的沟槽宽度范围为13~44,沟槽斜壁与水平面夹角为60°。数值模拟结果表明,与平板相比,沿流向沟槽表面的阻力最高降低了9%。数据分析发现出现减阻效果时,沟槽减少了近壁面处顺流向涡的数目,并且减阻机理与微沟槽阻碍大尺度流向涡与沟槽壁面的直接碰撞,使沟槽表面湍流脉动得到削弱有关。     

EFFECT OF THE RIBLETS SURFACE ON THE BOUNDARY LAYER DEVELOPMENT

ＥＦＦＥＣＴ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＲＩＢＬＥＴＳ　ＳＵＲＦＡＣＥ　ＯＮ　ＴＨＥ　ＢＯＵＮＤＡＲＹ　ＬＡＹＥＲ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＷａｎｇＪｉｎｊｕｎ；ＬａｎＳｈｉｌｏｎｇ；ＬｉａｎＱｉｘｉａｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＩＢｅ...     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

可压缩紊流分离边界层的计算

本文介绍了一种求解二维可压缩紊流分离边界层的正反积分方法。该方法以边界层动量积分方程和平均流动能积分方程作为基本方程,采用适用于贴附和分离紊流的Swafford速度型解析式,对比计算了四种代数涡流粘性模型对沿流向各点的耗散积分及诸边界层特征参数的影响。计算结果和存在激波边界层较强干扰的跨音速翼型边界层的测量数据吻合。该方法可扩展用于计算翼型的尾迹特性。     

后向台阶湍流边界层分离、再附及发展

应用激光测速仪对后向台阶湍流边界层分离、再附及发展进行了测量,得到时均流速、流向湍流度、平坦系数和偏斜系数等沿程分布。依据时均流速分布特性,得到分离区边界及再附点位置ｘ＿ｒ＝５．２ｈ＿ｓ（ｈ＿ｓ为台阶高度）,再附后湍流边界层恢复速度型相似的位置ｘ＿Ｔ＝１３．５ｈ＿ｓ。在详细分析湍流边界层区域时均及紊动特性的基础上,与光滑平板湍流边界层进行了比较。结果表明,除流速分布对数公式中积分常数较大外,无其它差别。此外,湍流边界层区存在尾流律,尾流参数π＝０．２９。     

Passive and active control of near-wall turbulence

Wall skin friction reduction is the primary focus of this paper. Turbulent boundary layer structure and near-wall turbulence structure are considered in particular along with how passive and active modifications to the structure can lead to reductions in drag. Direct numerical simulation of low Reynolds number turbulent flow over streamwise aligned micro-grooved striations or riblets, particularly V-groove riblets and the application of a near-wall viscous model to the flow over more complicated riblet shapes (V and U groove, thin element, compound and spanwise non-continuous V-groove) are assessed. This assessment provides a qualitative basis for identifying features that may limit riblets to skin friction reduction of about 10%. This leads to consideration of three dimensional riblets or “humplets”, use of oscillations (both fluid and structural), selective interference with existing turbulence and selective introduction of new scales of turbulence with the aim always towards reducing skin friction.     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。     

湍流减阻新概念的实验探索

本文对当今湍流表面摩擦减阻新概念进行了初步的风洞实验探索。将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔距离固定在平板上,利用自制的悬挂式天平测量了不同风速时的阻力,获得了约１０．２％的减阻效果。实验中分别考察了肋条参数对减阻的影响,使用Ｘ型热线风速仪研究了雷诺应力的型态。从湍流边界层涡结构的观点出发,提出了边界层底部“微型空气轴承（ＭＡＢＳ）”减阻新概念以及涡结构干扰对减阻的影响,并认为平均速度型态的     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

Study of riblet drag reduction for an infinite span wing with different sweep angles

This paper studies the riblet drag reduction effect for an infinite swept wing under a low Reynolds number using a large-eddy simulation. The results show that the drag reduction ratio is not linear under different sweep angles. The maximum drag reduction ratio in this study is 9.5% for a wing with a 45° sweep angle. The local surface streamline angle and turbulence quantities are calculated to analyze the drag reduction mechanism. The results demonstrate that the riblets considerably suppress the Reynolds stresses above the wing upper surface, while the turbulence kinetic energy in the near wake is increased. A possible relaminarization phenomenon is observed at the middle part of the wing. Quasi-two-dimensional flow structures are observed near the wall, and a peak frequency is considered as the dominant frequency of the region.     

低雷诺数下尾迹与分离边界层的相互作用研究

 用有压力梯度平板模拟典型后加载负荷分布形式下低压涡轮吸力面边界层的发展,研究尾迹与分离边界层的相互作用,并对比了雷诺数变化的影响,还分析了在很低雷诺数下尾缘脱落旋涡和分离区的相互作用。结果表明,在相同出口马赫数下,随着雷诺数降低,壁面等熵马赫数发生变化,峰值马赫数有所降低。尾迹与分离区的相互作用,通过在分离区诱导卷起的旋涡,产生湍流以及Calmed区,抑制边界层分离。当雷诺数很低时,分离区与尾缘脱落旋涡的非定常现象需要在涡轮设计中给予关注。     

Turbulent boundary layer separation control using plasma actuator at Reynolds number 2000000

An experimental investigation was conducted to evaluate the effect of symmetrical plasma actuators on turbulent boundary layer separation control at high Reynolds number. Compared with the traditional control method of plasma actuator, the whole test model was made of aluminum and acted as a covered electrode of the symmetrical plasma actuator. The experimental study of plasma actuators' effect on surrounding air, a canonical zero-pressure gradient turbulent boundary, was carried out using particle image velocimetry(PIV) and laser Doppler velocimetry(LDV) in the 0.75 m × 0.75 m low speed wind tunnel to reveal the symmetrical plasma actuator characterization in an external flow. A half model of wing-body configuration was experimentally investigated in the  3.2 m low speed wind tunnel with a six-component strain gauge balance and PIV. The results show that the turbulent boundary layer separation of wing can be obviously suppressed and the maximum lift coefficient is improved at high Reynolds number with the symmetrical plasma actuator. It turns out that the maximum lift coefficient increased by approximately 8.98% and the stall angle of attack was delayed by approximately 2° at Reynolds number2 ×10~6. The effective mechanism for the turbulent separation control by the symmetrical plasma actuators is to induce the vortex near the wing surface which could create the relatively largescale disturbance and promote momentum mixing between low speed flow and main flow regions.     

空间发展混合流的大涡模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了空间发展混合流，通过在平均流中引入小扰动，研究了混合流大涡结构的产生和演化过程，捕捉了展向涡的卷起、配对、合并，以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构。与实验及直接数值模拟的结果相比，吻合程度较好，表明本文所采用的LES方法对湍流的数值模拟是切实可行的。