分离流、涡运动及流动控制——纪念陆士嘉先生逝世20周年

本文概述了分离流、涡运动和流动控制方面近年来的研究进展和我们所开展的一些研究试验工作.对流动控制的方法和机理也作了简要的一般性讨论.     

分离流和涡运动横截面流态的拓扑

为表片分离流和涡运动的空间特征，实验和计算多给出各横截面上流态。本文给出了横截面流态的拓扑规则，它们是：物体截面轮廓线上半奇点的分布规则；横截面流态奇点数的拓扑规则；Ｐｏｉｎｃａｒｅ指数判定表面纵向分离起始和终结的原则；物面坡度为正时，截面对称线上奇点数目的规则。     

三维定常分离流和涡运动的定性分析研究

本文由两部分组成。第一部分研究和分析了物体表面上的分离形态,指出若分离线从奇点始,该奇点为鞍点;若在奇点终,该奇点为结点。若分离线上有很多奇点,其鞍点和结点是交替分布的。分离线的起始,可能有三种形态:一种称之为闭式分离的鞍点起始;一种为正常点起始;一种为鞍、结点组合形态起始。可以把正常点起始和距离很近的鞍、结点组合形态起始称之为开式分离。在一定条件下,闭式分离的形态,先转变为鞍、结点组合的形态,然后过渡到正常点的开式分离。第二部分研究了旋涡沿其轴线发展过程中,其横截面流线形态的发展,指出旋涡轴线上物理量λ=(1/ρ)(ρw/z)是决定流线形态的重要参量。如果λ>0,截面流线在涡心附近是稳定的螺旋点形态。如果λ<0,为不稳定的螺旋点形态,如果λ=0,流线形态是中心型的,当沿涡轴λ由正变负或由负变正时,相应在涡心附近截面流线由稳定螺旋点形态变为不稳定螺旋点形态,或由不稳定螺旋点形态变为稳定螺旋点形态;并且从λ由正到负的变号点起,截面流线产生稳定的极限环,或从λ由负到正的变号点起,产生不稳定的极限环。旋涡破裂只能发生在截面流线为不稳定螺旋点形态的区域中,在通过涡轴的纵向平面内,破裂点处的流线形态是鞍型的。破裂涡的合拢点处在不稳定的极限环区域内。     

纳秒脉冲等离子体分离流控制频率优化及涡运动过程分析

将纳秒脉冲驱动的介质阻挡放电等离子体激励器应用到NASA SC（2）-0712翼型上,在迎角分别为15°和20°时,开展了在不同雷诺数下的分离流动控制研究。通过模型表面静压测量,得到了不同激励频率下的分离流动控制效果。对翼型表面压力进行分布积分,得到了在不同雷诺数和激励频率下的升力系数,表明分离流的控制效果有一个较宽的激励频率范围,只要激励频率落在相应的频带范围内,均能实现有效的分离抑制。流动显示结果表明,分离流的控制在瞬时表现为放电后可形成大尺度旋涡拟序结构。旋涡的周期性产生、运动和演化造成了分离剪切流动的动态变化过程,从而促进了高/低速气流的动态掺混。     

两级轴流压气机流场内流动分离及旋涡运动

对两级扩压叶栅的内部流场开展了详细的数值模拟,同时引入拓扑分析理论,从涡动力学的角度对不同工况下扩压叶栅内的流动分离和旋涡运动进行定性分析。对两级压气机三个不同工况下流场的分析结果表明:相比分离范围的变化,分离形态的变化对压气机性能的影响更显著。当流动向失速点靠近时,对于动叶栅,主要表现为分离范围的不断增加;对于静叶栅,不仅分离范围增加,而且分离形态也发生了变化。在压气机叶栅中,通道涡强度较弱,对整个流场特性不起主要作用,而尾缘涡对压气机性能具有较大影响。     

展向射流控制机翼前缘涡的机理及其应用

旋涡和流动分离的控制一直是空气动力学研究的一个重要。研究表明展向吹气是控制机翼上旋裂和流动分离的一种十分有效的气动措施。     

轴流压气机非定常分离流动耦合控制实验

在一台单级低速轴流压气机试验台上,利用外部声激励,研究控制非定常流动分离的途径.重点考察了激励频率与压气机流场内典型的非定常特征频率的耦合关系以及激励强度、激励信号波形对轴流压气机非定常分离流动控制的影响.实验结果表明:激励频率和激励强度是分离流动控制中较为重要的两个参数,而激励信号波形的变化对分离流动控制也会产生一定影响(相对激励频率、幅值而言较弱).当激励频率为最优频率且幅值达到某一阈值之后,非定常流动分离能够得到有效推迟或抑制,压气机时均气动性能也会大幅度提升,其总压升特性相对值可提高约3.3%.      

绕刚体的分离涡流到绕柔体的受控势流

在小粘性流体的现实环境中,人类学会了利用适当产生的边界层及其涡量来构造航行器和流体机械,这导致了涡动力学的形成和发展,并把经典势流理论的应用范围推到边界层、自由剪切层和旋涡之外.但是,边界层是一柄双刃剑.它本身、它的分离、失稳、转捩,以及由此而来的各种涡结构,无一不带有或大或小的副作用.现在,人们遇到的刚体大雷诺数绕流问题越来越复杂(包括湍流).这些复杂性大都源于边界层的各种不利的、甚至灾害性的副作用.但是,随着变形体绕流研究的开展和智能变形材料的开发,人类有可能造出新的近壁流态来代替刚性物面的层流或湍流边界层,使近壁流之外的流场全是势流.     

动失速型非定常分离流的主动控制

本文对动失速型非定常分离流的主动控制方法在低速风洞中进行了实验研究。在二元平板模型中部安装一作振荡运动的主扰流板产生动失速型非定常分离流;在其上游的模型表现上安装另一控制用的振荡小扰流板,应用非定常流的相平均测压技术,研究前置小扰流板的控制效果。实验结果表明,通过控制两扰流板之间的运动相位差,可以显著影响并改变动失速型分离涡的强度和对流时间特性。在有利的控制相位下,涡的负压峰值最大可降低４８％,涡     

三维坑湍流分离流动的粘流／无粘流干扰计算

本文对坑的三维分离流动做了低速粘流与无粘流的相互作用计算。对三维边界层反方法进行了分析和讨论。用数值试验的方法验证了在H和α作为已知量的情况下,三维边界层反方法的积分方程是双曲型的,并提出了一种近似数值特征线法进行求解。无粘流采用低速位流面元法。计算表明所用方法可计算出三维效应很强(即横向变化很大)的三维边界层分离流动。     

分离流中旋涡运动的热行为及其控制的数值模拟

以压缩拐角流动为例,对分离流中旋涡运动的热行为及其控制进行了数值模拟研究。研究结果表明,光滑表面上流动的分离特性及其热行为受到壁面温度的极大影响,提高壁面温度可以使分离点前移,再附点后移,分离范围扩大,涡心提高,而再附点附近及峰值热流则经历了一个先上升后下降的非单调变化过程;分离区和现附点附近的温度型与附着流差别明显,具有很高的峰值和很靠近物面的峰值点,从而造成高热流。而且温度梯度随壁温的不敏感性     

分离流中若干问题的分析研究

运用物理分析,研究了分离流中现存的若干问题背风区对称线附近表面流拓扑、垂直于体轴的截面流线的性状、细长体绕流不对称流动、旋涡向内转和向外转等.引用的实验及计算结果与分析结论是一致的.     

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制特性研究

为了系统研究抽吸系数和抽吸方向对抽吸效果的影响以及抽吸效益与抽吸能耗之间的关系,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用Roe格式和双时间步隐式算法(LUSGS),从抽吸系数、抽吸方向和抽吸能耗等方面,数值研究了低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果,通过边界层速度线型的变化分析了抽吸控制机理。研究结果表明:在翼型吸力面流动分离点附近一定区域内进行抽吸,可有效抑制流动分离,改善翼型气动性能;随着抽吸系数的增加,升阻比先是快速增长然后缓慢下降,且升阻比最大值提高了约1.3倍。抽吸控制能量消耗评估显示抽吸系数在合理范围内时,控制能耗明显小于控制效益。抽吸角度对抽吸控制有显著影响,当抽吸角度较大时,不仅翼型升阻比获得了提升,而且抽吸控制所消耗的能量也会进一步减少。这些结果有助于进一步为流动控制设计提供新的思路和方法。     

合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离数值模拟研究

为了探究合成双射流激励器及出口射流参数对圆柱绕流流动分离的控制效果,首次对合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离进行了数值模拟。数值计算结果显示:保持激励器出口射流振幅不变的条件下,出口射流频率等于尾迹涡脱落特征频率时,射流控制作用与绕流流场耦合效果最好,控制流动分离效果最佳;保持出口射流频率为尾迹涡脱落特征频率时,在数值计算测试范围内,随着射流振幅的增大,射流对于流场的动量掺混能力增强,控制效果也随之增强。机理分析表明:合成射流位于前驻点的控制,主要通过在圆柱前缘形成虚拟气动外型来达到减阻控制的效果;而合成射流位于后驻点的控制,主要是通过增强回流区的动量掺混来提高回流区抑制分离的能力,从而达到减阻控制的效果。     

抽吸控制对低雷诺数下翼型分离流动的影响

为了系统研究抽吸区域相对于分离点的作用位置、孔间距和孔径对抽吸控制翼型分离流动效果的影响,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用AUSM⁺-up格式、大涡模拟方法和双时间步长（LU-SGS）隐式算法,对低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果进行了数值研究。研究结果表明：当抽吸区域位于分离点之后时,抽吸控制效果最好;抽吸系数不仅存在一个下限值以达到快速、有效的控制效果,而且有一个上限值以保证抽吸控制品质因数（FOM）大于1;孔间距和孔径对翼型气动性能的影响较小,但对FOM分布的影响较大。     

等离子体控制翼型流动分离实验

为了提高等离子体的流动控制能力,在常规大气环境,来流风速分别为20m/s、30m/s、40m/s条件下进行了介质阻挡放电抑制NACA0015翼型流动分离实验研究。结果表明：等离子体能有效的抑制分离,实现增升减阻,但随着来流风速增加,有效控制的起始和终止攻角均变大,攻角区域却逐渐变小;可以通过在翼型分离点附近布置等离子体激励器,在允许的范围内尽量提高输入功率,使控制效果达到最佳。     

射流旋涡发生器抑制进流管流动分离的数值模拟

高航速时喷水推进器进流导管背部流动发生分离,加剧了喷泵的进流畸变,导致推进性能下降。本文提出在进流管上布置射流旋涡发生器（VGJ）抑制进流管的流动分离,并通过数值模拟分析了射流孔位置、射流角度、射流流量等射流参数对控制效果的影响。经参数优选后,布置在背部流动分离点前的VGJ、射流角度10°、射流流量是出流流量的2.3%时,进流管出流的不均匀度系数、旋流度、总压畸变指数分别降低35.18%,60.62%,46.42%,总压恢复系数提高了18.07%。VGJ的流动控制作用明显,工况适应性较好,为喷水推进器采用主动流动控制提升推进性能提供理论依据。     

利用等离子控制凸包流动分离的数值模拟

基于等离子发生器简化模型求解电势方程,得到电场及等离子分布,并将电场对等离子的作用力耦合到流动方程中.结果表明,电场力在电极交接处附近诱导气体运动并产生"壁面射流"效应,增加低能流体动量,显著改善附面层内速度分布;与无等离子控制措施相比,分离点位置最大延迟约4%特征尺寸,再附点位置最大提前约12%特征尺寸,分离范围明显减小.此外,电压较大、电极与流体接触式布置均能提高等离子控制流动分离的能力.      

前掠翼根部流动分离的控制

 在风洞和水洞中研究了机翼根部修形、活动边条、固定边条、边条襟翼和链接边条在控制前掠翼根部流动分离方面的作用。分析了上述措施对机翼流动的干扰机理及其对气动性能的影响。研究结果表明,各种措施对控制前掠翼根部流动分离均有明显效果,可提高大迎角升阻特性,改善纵向力矩特性和配平能力。固定边条和边条襟翼还可改善中小迎角的升阻性能,链接边条和边条襟翼则可使失速性能提高。加鸭翼后上述气动收益更加明显。