可压缩剪切层与边界层流动相互作用的稳定性研究

为了探究可压缩剪切层与边界层组合流动稳定性规律,采用线性稳定性理论对这种组合流动的线性稳定性问题进行研究。平均流动模型取双曲正切函数描述的可压缩剪切层与可压缩相似边界层速度剖面的直接叠加。采用整体数值方法 (Global)求解组合流动线性稳定性方程,获得全部不稳定模态。结果表明,在这样的组合流动中,存在两个不稳定模态,一个与剪切层相关的不稳定模态,另一个是与边界层相关的不稳定模态。在此基础上,研究了剪切层与壁面之间的距离、扰动频率、雷诺数、马赫数、速度梯度、温度梯度对这种组合流动稳定性的影响。马赫数增大对不稳定模态起抑制作用,剪切层对边界层的不稳定模态的促进、抑制作用与马赫数、扰动频率有关,边界层对剪切层不稳定模态基本上起抑制作用。     

受限混合层的线性稳定性

针对超声速边界层/混合层组合流动,利用可压缩线性稳定性理论研究了流动的线性失稳特性。基本流场选取了具有不同速度特征的两股来流,采用双曲正切的混合层剖面叠加可压缩边界层自相似性解剖面构造。重点考察了混合层中心与壁面距离、对流马赫数等参数对组合流动稳定性特征的影响,其中壁面采用绝热壁面。混合层中心与壁面的距离为5~15倍的边界层厚度,混合层的对流马赫数为0.6~1.2。结果表明:该组合流动中存在独特的多重不稳定模态,并相互影响;且其不稳定模态随着壁面距离及对流马赫数的变化呈现出不同的主导行为。      

三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

二维射流的稳定性分析与流动控制

本文在绝对／对流不稳定性的理论框架下，对二维射流的稳定性进行了数值分析。研究表明射流流场各局部剖面是对流不稳定的，不会产生整体失稳，射流频率由流场中最大增长的不稳定频率确定。将一ＮＡＣＡ０１２翼型放置于射流势流核心区中，改变翼型的偏转角度θ，可使射流剪切层频率与翼型尾流频率发生共振，整个流场产生自激振荡，加强了射流与外界流场和混合，并使射流发生矢量偏转。     

三维可压气体射流在液体中剪切稳定性分析

采用时间线性稳定性分析方法，就无限域不可压有粘液体中的可压缩，无粘气体射流流动的三维扰动稳定性分析，研究较全面分析了气体压缩性，液体粘性，表面张力效应，液气密度比以及滑移速度等重要因素对气体剪切流稳定性的影响，结果表明气体压缩性助长气液剪切流动的不稳定性；液体粘性可在小范围内抑制扰动增长；表面张力作用的提高使扰动最大增长率呈线性衰减，在主导波数区域内，液气密度比愈高扰动愈强，而在最大扰动波数限附近，规律趋于相反，气液间的滑移较显著地助长扰动的不稳定。     

不可压缩势流绕多段翼型流动的快速迭代解法

利用保角变换计算不可压缩势流绕翼型的流动,具有计算速度快和要求计算机内存小的优点,但主要用于单段翼型问题,而对于多段翼型,尤其是三段和三段以上的翼型则很难应用。本文在单段翼型的保角变换的基础上,提出了一种利用迭代算法计算任意多段翼型的不可压缩势流的绕流问题的方法。本文方法和目前常用的边界元法相比,具有计算速度快的优点。本方法还可进一步推广到考虑无粘流/边界层的迭代计算中。     

三维可压缩流欧拉方程组的隐式时间推进法

本文提出了求解三维定常无粘可压缩流场问题的一种隐式时间推进法。在计算空间以逆变速度分量为未知变量的欧拉方程组为控制方程,从而简化壁面边界的处理。在Beam-Warming的AF-方法基础上,用对角化及矢通量分裂等方法提高了计算速度及解的精度和稳定性。作为算例,对伴有激波的方形收放喷管跨声速流动进行了计算,以显示方法的有效性。     

涡方法分析并列圆柱的旋涡脱落现象

利用快速离散涡方法及流场可视化技术分析二维粘性不可压缩均匀流中并列圆柱体的旋涡脱落现象，识别作用在圆柱上的气动力及旋涡脱落频率。使用边界元方法及引入一个新颖的涡量边界条件计算表面涡量，利用系数影响矩阵技术获得无网格方法，采用自适应快速多极子算法快速计算涡元速度。数值算例再现了不同间距并列圆柱体的同步同相旋涡脱落、同步反相旋涡脱落、尾流的不对称性及间隙流的半稳定性等现象，数值结果与早期实验结果吻合得很好。     

可压缩螺旋流的稳定性分析

将不可压无粘旋转流的Ludwieg稳定性准则推广到可压缩情况.由物理机理的分析出发,导出可压缩无粘螺旋流在一确定的扰动方向下稳定性的准则,并将此准则与其它稳定性条件进行了比较.     

有限长圆管内刚体旋转流的直接数值模拟

通过对三维不可压缩粘性流体的直接数值模拟,研究了有限长圆管内刚体旋转流在初始扰动下,扰动的增长和动力学演化过程.首先,通过改变流动的Reynolds数和旋转角速度ω,分析了轴对称流动中Reynolds数和ω对流动失稳的影响.对于高Reynolds数轴对称流动,利用数值模拟得到的不稳定结果与无粘线性稳定性理论预测的结果一致.最后,为进一步研究流动不稳定发展的三维效应,又进行了完全三维流动的模拟.数值结果表明,三维流动中不稳定的主导模态为螺旋模态,模态在线性段指数增长,导致流动产生螺旋型的漩涡破裂,之后经过非线性段的增长后达到饱和,流动最终发展为轴对称泡型旋涡破裂的稳定状态.     

平面跨音叶栅中粘流-无粘流的强相互干扰计算

为了设计高效率高负荷的跨音叶轮机械,气动计算中必须计入粘性的影响。当叶片表面流动不发生分离,或分离区很小时,流道内的流动可以分为叶片表面以及尾缘下游的粘性薄层——边界层和尾迹区以及除此以外的无粘流区。因而可以分别应用欧拉方程组及边界层方程组求解这两个区内的流动。无粘流-粘流的相互影响是通过无粘流计算及边界层计算的一系列迭代计算来实现的:由给定的气动参数及叶栅几何形状进行无粘计算,得到叶片及尾迹表面的流动参数分布,作为首次边界层及尾迹计算的输入数据,求得边界层及尾迹的排挤厚度δ_1,并以此对无粘流动的几何边界进行修正,作为下一次无粘计算的流场边界。这样的迭代重复进行,直到满足全场的总体收敛条件为止,其迭代框图如图所1示。     

超声速尾迹-剪切流的混合增强

超声速条件下燃料和空气之间的高效混合是超然冲压发动机技术上的主要挑战。基于大涡模拟和流动稳定性分析,针对超声速尾迹-剪切流动开展了混合增强方法研究。尾迹的存在改变了混合层流动的速度剖面,对流动稳定性产生了重要影响,使混合层由三维最不稳定变为二维最不稳定,最不稳定扰动波频率和增长率增大。基于流动稳定性结果引入扰动的混合增强方式依然有效,根据稳定性结果设计了波纹隔板。数值结果表明：二维波纹壁引入的扰动未能增长,不具备混合强化效果,而三维波纹壁引入的扰动能够快速增长,具有混合强化效果,且波纹壁参数越接近最不稳定扰动波参数,混合强化效果越明显。     

壁判据用于计算流体力学（CFD）可信度评估

本文把作者提出的近壁干扰剪切流动(ISF)全域理论与流体运动方程组及流体在壁面上无滑移条件相结合导出一组壁面判据.壁判据为计算流体力学(CFD)仿真的可信度评估提供了基于流体理论的一条直接验证途径.对不可压缩流动的十一个熟知的NS方程组精确解,包括二维驻点和斜入射再附点流,二维分离点和背风驻点流,轴对称驻点和背风驻点流,旋转圆盘附近的三维Von Karman 流、收缩和扩张渠道流和非定常斜入射三维驻点流;以及经典边界层及其无粘外流和相似性边界层及其粘外流的NS方程组解,提出可用于验证近壁流动计算的几个壁相关函数.证实它们准确满足所有壁判据;说明壁判据可用来检验NS方程组数值解近壁计算结果的计算精度并验证其可信度.     

跨声速翼型有粘／无粘强干扰计算

本文介绍一种二元跨声速激波-边界层强干扰的计算方法。边界层计算采用湍流边界层积分反方法,它借助Whitfield和Swafford提供的既适合附着流,也适合分离流的速度剖面表达式。跨声速无粘流用全速势方程模拟。通过边界上排溢速度来考虑粘性的影响,用有粘/无粘迭代得到粘性流解。本方法计算的结果与其它方法以及实验的结果进行了比较,证明该方法可以在工程上推广使用。     

定常可压缩无粘流非线性方程解的完全边界积分表示式

 本文以ρV为因变量将可压缩等熵无粘流非线性方程的解表示成完全边界积分形式,从而将问题的计算维数降低一维。     

有限元素法在空气动力学中的应用

一、导言 一般的可压缩流是牵涉到速度、压力、密度与温度场的高度非线性问题,当前对这领域的问题进行数值模拟仍面临着较大的困难。这些困难使这方面的研究工作基本上还停留在无粘流的问题上。其中的大部分工作又仅限于理想气体在等熵过程(至少是局部)的情况下所呈现的流动状态。即使在这种理想化的情况下,流动的控制方程组仍然是非线性的。     

大速差射流燃烧室内三维湍流气固两相流的实验研究

本文用二维激光多普勒测速仪和探针取样法对大速差射流燃烧室中冷态三维湍流气固两相流动进行了实验研究,测量了气相速度,颗粒速度、颗粒质量流分布及两相各自的湍流特性,探讨了高速射流作用下两相流场的主要物理特征及其对火焰的稳定和强化燃烧的作用。     

高超声速绕钝体熵层基本流特性研究

基于N-S方程,针对超声速气体绕0°迎角钝锥流动采用三阶WENO(Weighed Essentially Non-Oscillatory)格式进行数值模拟,研究了熵层的基本流特性。研究给出了边界层及熵层外缘的确定方法,并分析了其适用性与局限性。数值计算结果显示基本流剖面存在"双广义拐点"现象,N-S方程与Euler方程数值结果对比发现,熵层区出现的广义拐点是由熵层区有旋运动引起的,而边界层的广义拐点由粘性作用导致。这是进行流动稳定性分析的基础。文章还分析了球头半径与马赫数对熵层特性的影响。结果表明,马赫数越大,熵层区的涡量越大,熵层影响的范围越大;雷诺数对无粘流的特征影响很小,熵层大小随球头半径几乎呈线性关系。     

基于指数插值的浸没边界法在可压缩流模拟中的应用研究

由于浸没边界法在处理复杂外形和动态问题时具有极强的灵活性和便利性,因而受到广泛的关注。在当前浸没边界法的研究和应用中,主要工作集中在关于中/低雷诺数和不可压流动的模拟。本文引入 Choi 等提出的指数插值法对目标点速度进行插值,并根据多项式插值和 Crocce-Busemann 关系式等确定目标点压力和温度,并借鉴直角网格法中的虚拟网格法计算物面内的流动变量,建立了适用于可压缩流动的浸没边界法。通过亚、跨声速段翼型绕流和超声速圆柱绕流算例对方法进行验证,结果显示在 k 值取值合适时模拟结果与实验数据较为吻合。通过对相关算例网格收敛性分析,证明了本文发展的浸没边界法具有较高的精度。文中各算例的模拟结果表明,此方法能准确捕捉亚、跨、超声速绕流问题中的各类流动结构,适用于可压缩流动的模拟。     

超紧凑燃烧室的超重力旋转流动特性

航空燃气轮机超紧凑燃烧室所产生的超重力旋转流能极大强化传热传质和燃烧化学反应速率,而超重力旋转流特性对强化热质传递过程和燃烧稳定性有重要影响。以试验室 UCC 燃烧室的设计模型为研究对象,用 Realizable k -ε湍流模型模拟高速旋转湍流。改变周向布置的二次空气射流条件,采用数值仿真研究了超紧凑型燃烧室旋转流动的流速分布、超重力效应、湍流动能局部突变效应、轴向加速效应、和速度径向迁移效应等气动性能和雾化燃油颗粒行为。二次射流对UCC 凹腔内涡轮间通道内的气动性能影响较大,但不在同工况下有各自的相似性。二次射流对涡轮间径向速度影响不大。燃油液雾散布具有环带形的斜向高斯分布特性。研究结果与相关试验有相同规律,对 UCC 燃烧室的设计分析和应用有参考价值。