高速流非平行边界层稳定性研究

导出了可压缩流的抛物化稳定性方程（PSE）。针对高速流动,特别是超声速和高超声速流动的非平行边界层稳定性问题进行了研究。引入高效的边界层变换、全流场高精度的差分格式及预估校正迭代和推进求解法来求解PSE方程,使得PSE方法中至关重要的正规化条件得到了满足,确保了数值计算的稳定。采用高马赫数下对稳定性起支配作用的第二模式,研究了高速流边界层稳定性的演变和特征,分析了流动的非平行性、压缩性,以及壁面冷却等因素对流动稳定性的影响．所得结果与相关实验数据吻合较好。     

边界层稳定性的非平行性问题研究

采用抛物化稳定性方程的新方法研究稳定性的非平行问题，其控制方程从涡量形式的N－S方程导出，为提高计算精度和收敛速度，在法向采用高精度的高阶谱方法，结合边界层特征安排边界条件的方程，以及对无限区域数值问题作高效的代数变换处理，通过对预估校正迭代过程中推进步长有效的控制，以满足正规化条件，研究了不同类型压力梯度对稳定性的作用，由系列算例得到的增长率变化曲线和扰动中性曲线等，精确地给出了非平行性对流动稳定性的影响，计算的结果与相关数据符合甚好。     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

边界层中TS波及其高阶谐波的演化

基于抛物化稳定性方程,研究了边界层中TS波及其高阶谐波的线性和非线性演化问题。由局部法和Landau展开式导出初始条件,并计算了扰动幅值和速度型等的演化过程和特征,特别是非线性的重要作用。探讨了初始幅值、压力梯度、扰动频率对扰动演化的影响及其规律,这与边界层的稳定性和转捩研究紧密相关。算例结果与全Navier—Stokes方程的直接数值模拟结果一致。     

三维扰动波在局部粗糙边界层中的稳定性研究

采用局部喷、吸、喷和吸组合来模拟局部粗糙壁面,数值计算获得稳定的三维边界层的基本流.在此基础上研究了三维扰动波在该基本流中的空间演化问题,讨论了局部粗糙的形式、分布结构对三维扰动波的幅值增长率及流动稳定性影响.计算结果表明:三维局部粗糙对三维扰动波的增长、涡的形成都起着激励的作用.扰动波演化产生的平均流修正及局部粗糙诱导展向速度的存在,影响着流体运动稳定性.与光滑壁面相比,三维局部粗糙作用下扰动波的传播角度与相位角发生明显变化,而不同形式的二维局部粗糙壁面边界层显示出不同的稳定特性.     

周向弯曲叶片内部三维流动扩稳机理的实验研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用双丝热线技术实验研究了周向弯曲叶片出口三维流动随流量降低变化规律.基于测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片流道内三维流动结构的演化发展过程,分析非设计工况下叶片弯掠对流动的影响规律,结合径向平衡方程讨论了周向弯曲叶片对变工况边界层迁移的控制.结果表明:小流量工况下,周向弯曲叶片显著改变了流道内流动结构,且明显改善上下端壁区域的流通性,对于扩大稳定工作范围有着积极的作用;由于旋转离心力的增大,Fr对于径向压力梯度影响也发生变化,从而改变边界层的迁移方向和速度.     

展向离散抽吸法控制边界层转捩实验研究

通过实验成功发展了一种生成大振幅稳定条带的有效方法,即展向离散抽吸方法。在此基础上,开展条带控制边界层转捩的研究。实验在水洞中进行,以零压力梯度平板边界层为研究对象,利用氢气泡时间线法观测引入条带前后人工激发转捩边界层中扰动发展变化,分析条带对转捩的控制效果及参数影响。结果表明,展向离散抽吸方法生成的稳定条带最大振幅可达28.4%U(U 为自由流速度);实验中引入的宽度14和28mm 的稳定条带都能起到抑制转捩的作用;条带振幅越大、宽度越窄,抑制效果越明显。研究结果为探索降低水/空气中航行器摩阻的新技术提供有价值的参考。     

Re数对细长旋成体非对称涡及气动力特性影响的实验研究

通过对细长拱柱旋成体大迎角绕流不同截面测压结果分析,探讨了绕流Re数对非对称涡结构和气动特性的影响,得出Re数不仅影响分离线位置和绕流流态结构,而且影响边界层的绕流特征及其分离涡的强度,非对称性的出现与细长体两侧边界层的绕流特征和分离涡的强度不等存在密切的关系。特别是在同种流态下,两侧边界层的绕流特征和分离涡强度不等是造成侧向力的主要原因;在两侧不同的流态下,转捩不对称是产生大侧向力的主要原因。     

机翼非平行边界层稳定性研究

从Navier-Stocks(N-S)方程导出曲线坐标系下的抛物化稳定性方程(Parabolicstabilityequation,PSE),研究机翼非平行的可压缩边界层稳定性问题。发展了求解PSE的高效数值方法:引进法向变换,使得在临界层与壁面之间的扰动量变化最快的区域有更多法向网格点;采用包含边界邻域在内的完全四阶精度的法向差分格式,这对方程精确离散至关重要;以及全局法和局部法相结合的数值方法及其新的迭代公式,能大大加速收敛并得到更精确的特征值。算例分析研究了扰动增长因子和形状函数等演化曲线。     

高速流中壁面剪应力某些测量方法

本文综述了高速流中壁面剪应力的三种测量方法——普雷斯顿管法,底层隔板法和表面热膜法。着重讨论压缩性影响。作者还用 White-christoph 壁面律,导出计及压缩性,压力梯度和壁面热传导影响的普雷斯顿管理论校准公式,又从二维可压缩边界层的能量积分关系导出了表面热膜测量所需的壁面剪应力和压力梯度、压缩性及壁面热传导率的关系式。     

冲角变化对涡轮静叶栅流场的影响

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶原型和改型叶栅的变冲角气动特性,对两套环形叶栅在0°和±10°冲角下在哈尔滨工业大学能源科学与工程学院的低速环形风洞中进行了对比实验研究.实验结果表明,冲角变化仅影响改型和原型叶栅流道前半部分的横向压力梯度,对流道后半部分的流动影响不大;与原型叶栅相比较,改型叶栅不仅降低了流动损失,而且比原型叶栅具有更好的变冲角特性.     

应用后缘装置的跨声速层流翼型多岛优化设计

高雷诺数状态下,自然层流技术(Natural laminar flow,NLF)是减小机翼表面湍流摩擦阻力的有效方法。然而由于层流翼面上大范围顺压梯度的存在使得后缘处的恢复压差更大,产生更强的激波。因此在减小摩擦阻力的同时又增加了激波阻力。本文采用后缘装置(Trailing edge device,TED)来控制翼型后缘处的激波强度,基于线性稳定性理论(Linear stability theory,LST)的eN方法对流动进行转捩判断,进而应用多岛并行多目标进化算法(multi-objective evolutionary algorithm,MOEA)以获得大范围层流区域和弱化激波强度为目标对翼型进行优化设计。优化结果表明合作均衡策略耦合进化算法可以快速地捕捉到该多目标问题的Pareto阵面解,阵面上翼型的波阻力和摩擦阻力性能较初始翼型大大改善。同时,采用后缘装置控制激波强度时,无论在设计点还是偏离设计点时,优化后翼型均具有良好的升阻力特性和鲁棒性。     

可重复使用飞行器脉动压力数值模拟研究

相对于传统火箭或导弹,可重复使用飞行器的脉动压力问题更为复杂、且相关研究较少。本文采用RANS/LES混合方法模拟了可重复使用飞行器在竖立状态、跨声速飞行、超声速飞行3类典型状态下的非定常流场,并提取了典型特征位置的脉动压力。计算结果显示,竖立状态下的脉动压力发生在背风区和分离点,声压级约115 dB,频率不超过1 Hz;跨声速飞行时的脉动压力发生在机翼和尾翼上的激波振荡区域,声压级高达140 dB,频率在10 Hz左右;超声速飞行时的脉动压力发生在飞行器机翼、副翼的下表面等迎风面上出现较强逆压梯度的区域,声压级也高达140 dB,频率约为22 Hz。此外,飞行器底部等容易发生分离的部位也是容易产生较强脉动压力的位置。     

双垂尾不利影响改善措施研究

采用一个典型的双垂尾鸭式布局模型,利用CFD手段对垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究.发现在低速大迎角条件下,前体脱体涡在机身后体诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于“侧滑”气流中,增大了垂尾内侧压力,与此伴生的逆压梯度,削弱了前体涡强度和稳定性,从而使飞机升力减小.根据这一发现,设计了减小垂尾面积、垂尾前缘内偏和变化外倾角3种改善措施.通过风洞试验验证,减小垂尾面积和垂尾前缘内偏具有明显的改善大迎角升力特性的效果.     

国产的DSY128电子扫描压力测量系统及应用

对新型国产DSY128电子扫描压力测量系统及其方框图的各部分组成及功能作了较详细地说明，同时，详述了该系统在西工大低湍流度风洞翼型压力分布实验及沈阳空气动力研究所新建1．2m风洞流场校测中的现场使用情况，给出了几种实验的部分压力分布曲线图。     

自然层流超临界翼型的设计研究

阐述了研究发展我国自然层流超临界翼型ＮＰＵ－Ｌ７２５１３的设计思想,设计要求和转捩位置的判别技术和设计方法,首次提出了利用弱激波形成足够顺压梯度的自然层流超临界翼型设计思想,解决了维持层流所需的有一定顺压梯度压力分布形态和无激波超临界翼型的屋顶状压力分布要求的矛盾。风洞实验结果表明,所设计自然层流超临界翼型达到了设计要求。     

弹性支撑条件下分段轴压阶梯梁自由振动及稳定性分析

分析了在各种经典及其派生弹性支撑边界条件下任意多段分段常轴压阶梯梁的自由振动和稳定问题,得到了形式统一的封闭解析解。首先采用分布传递函数方法,得到了轴压等截面梁在各种边界条件下自由振动及稳定性分析的解析解,然后根据分段轴压阶梯梁横截面弯曲刚度和轴向压力沿轴线的变化情况,将梁分成多段子梁,再利用各子梁的解析解以及各子梁间的位移连续和力平衡条件,得到粱的各阶自由振动频率和失稳载荷及其相应的模态形状。最后通过三阶梯梁的三个算例验证了本文方法的正确性,并针对各种边界条件,计算了各种边界条件下分段轴压四阶梯梁自由振动的前三阶固有频率和失稳载荷参数,分析了固有频率和失稳载荷与其模态形状的关系,探讨了弹性支撑条件下轴压阶梯梁固有频率随弹簧常数的变化趋势。     

基于EE MD气液两相流差压信号时频分析

为研究气液两相流流动过程的动态特性,采用V形内锥作为测量装置,通过高频差压变送器获得不同流型下的动态信号,提出了一种基于总体平均经验模式分解(EEMD)的气液两相流时频分析方法。通过对不同流型下的气液两相流的差压信号进行分析,研究了气液两相流的流动机理,为气液两相流流型及流量的准确测量奠定理论基础。分析发现EEMD的抗混分解能力很好,可以准确地提取两相流差压信号的频率成分及其时变情况,为今后两相流的识别提供理论基础,具有较高的工程应用价值。     

Thermoelastic Stability of Closed Cylindrical Shell in Supersonic Gas Flow

In a linear framework, the problem of stability of closed cylindrical shell is briefly discussed. The cylin- drical shell is immersed in a supersonic gas flow and under the influence of temperature field varying along the thickness. An unperturbed uniform velocity flow field, directed along the short edges of the shell, is applied. Due to the inhomogeneity of the temperature field distribution across the thickness shell buckling instability occurs. This instability accounts for the deformed shape of the shell, to be referred as the unperturbed state. Stability con- ditions and boundary for the unperturbed state of the system under consideration are presented following the basic theory of aero-thermo-elasticity. The stability boundary depends on the variables characterizing the flow speed, the temperature at the middIe plane of the shell and the temperature gradient in the direction normal to that plane. It is shown that the combined effect of the temperature field and flowing stream regulates the process of stability, and the temperature field can significantly change the flutter critical speed.