可压缩湍流边界层壁面函数方法综述

以建立工程实用的高超声速湍流边界层模拟方法为目标,从湍流壁面函数是湍流边界层方程近似解的角度,梳理了相关文献的研究工作,得到如下认识:1)壁面函数与所求定解问题数值解的相容程度决定了壁面第一层网格允许放粗的程度,在流动分离点和再附点附近区域,目前壁面函数尚需进一步完善,而"子网格"壁面函数从理论上解决了相容性问题,尽管...     

壁面函数在超声速湍流模拟中的应用

通过子迭代的方式计算摩擦速度,更新虚拟点湍流黏性系数实现对壁面剪切应力的修正,耦合SSTk-ω两方程模型,在国家数值风洞软件平台上实现了壁面函数程序模块。通过压缩拐角和高速飞行器典型算例进行考核,初步数值实验结果表明：压缩拐角算例壁面函数在无量纲壁面距离y+≤200范围内,均准确预测湍流边界层速度分布,可显著提高粗网格上壁面湍流边界层和壁面摩擦系数的预测精度,且壁面函数使用粗网格最多可节约75%的计算时间;对于复杂外形,附面层网格间距变宽,可使得整体网格减少约38%的网格总量,在相同的计算设置情况下可节约60%的计算时间。唇口附近出现明显的激波边界层干扰现象,使用壁面函数后稀网格和密网格得到流场中分离、激波反射相同,且分离区最高压力系数偏差从15%降低到2%。从粗网格和密网格全机轴向力系数比较来看,使用壁面函数后摩阻预测偏差可从40%下降到4%。整体来看,壁面函数的引入提供了一种高效的飞行器湍流流动气动力预测方法。     

壁面非平衡复相催化反应及其对传热的影响

本文在理想吸附层假定下对两种常见的复相催化反应模型导出了反应速度表达式，分析了反应级数的变化规律和范围，采用新定义的“壁面催化非平衡系数”作为表征壁面非平衡催化工况的准参则数，用粘性激波层法计算分析了壁面非平衡催化效应对驻点区壁面热流的影响规律。     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

超声速边界层流动数值模拟的边界条件研究

在超声速边界层的计算中，出口处边界条件的好坏会影响计算结果。Poimot＆S．K．Lele曾建议一种NSCBC方法，被广泛采用。但它是建立在局部一维无粘关系假定上的，而靠近壁面处速度梯度大，粘性作用不能忽略，上述假定不一定成立。此外，NSCBC方法在亚声速区需要下游的某些已知条件，而这往往是无法预先知道的，从而不得不做一些假定。本文将分析这样做可能出现的问题，并对某一类问题，提出一种可以得到更好结果的方法。     

壁面辐射平衡DSMC方法及其在双锥构型中应用

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统DSMC仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计.本文发展了一种基于壁面辐射平衡的DSMC边界模型,通过热流值反算辐射平衡壁面温度,并以此温度作为下一个时间步DSMC计算的边界条件,迭代更新至给出壁面温度的收敛值.基于该温度边界条件,开发了适用于轴对称构型的DSMC求解器,并以钝锥构型对计算模型和求解器进行了验证.重点针对激波风洞试验条件下的双锥构型,开展数值模拟研究,结果表明:该构型恒温冷壁条件得到的壁面压力分布和热流与风洞试验结果吻合,两种温度条件下的压力峰值差异约为15.4％,但是整体气动力特性差异仅约为0.33％;相对于冷壁,辐射平衡计算得到的前缘处热流峰值降低约50％,再附点处的热流峰值降低约三分之二;两种条件相结合,可以给出壁面热流的预测范围.     

三维可压缩非定常流的壁面分离判据及其分离线附近的流动形态

通过引入依赖于密度的物面法向速度变换wr=-1/ρh1h2∫ozh1h2(e)ρ/(e)tdz,描述物理速度空间(ua,va,wa=u,v,w+wr)具有无滑移壁面条件的三维可压缩非定常连续方程可转换成变换速度空间(u,v,w)内具有无滑移条件定常连续方程.因此,采用定常壁面分离的分析方法和结论,再通过变换和研究wr的贡献,给出了三维可压缩非定常壁面分离的判则以及分离线附近的流动形态.研究指出,二维和三维情况下,都出现伴有壁外附着的壁面分离情况.数值模拟证实了理论和结论.     

壁面粗糙度湍流扩展模型及流动数值模拟

采用有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes流动控制方程,数值模拟表面粗糙度对气动特性和热力学特性的影响。通过修正Knopp的基于切应力输运k-ω湍流模型的粗糙度湍流扩展模型中边界条件ω的值,提高了壁面附近的涡黏度,增加了总壁面切应力,从而引入壁面粗糙度的影响。通过对不同粗糙度的平板流动和NACA 65_2215翼型绕流进行数值模拟,分析粗糙度对表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数的影响。计算结果表明:粗糙度使得平板表面摩阻系数和斯坦顿数增大,翼型流动分离提前,升力系数减小。流经粗糙壁面的流动处于过渡状态时,改进的粗糙度湍流扩展模型改善了原模型速度偏移量与经验公式相比偏小的缺点,同时,表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数与实验结果吻合得更好。该改进模型不需要对壁面附近网格进行加密,能够快速、准确地模拟流经粗糙壁面的流动。     

固定壁面激波控制技术的研究进展

固定壁面激波控制技术在进气道特性调节、飞行器气动力控制等方面有着重要的应用前景,对该领域的研究进展进行了综合分析。从工作原理来看,目前的固定壁面激波控制原理主要包括局部能量添加、局部质量添加、直接力控制三大类,而具体实现方法则有多种,其中近壁等离子放电控制、分布式二次流注入控制、磁流体控制均完成了控制原理验证试验,并获得了较好的控制效果,具有较高的研究价值。并且,基于近壁等离子放电、分布式二次流注入的激波控制技术均已经完成了对应固定壁面可调进气道的风洞试验。然而,各种固定壁面斜激波控制技术离实用还有一定距离,特别是存在高浓度等离子体的低功耗产生方法、次流/主流混合边界层发展特性等基础性问题需要重点研究解决。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术。采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计。测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响。通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线。采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果。     

竖直平板Blasius流层流边界层流动与传热耦合解

对考虑辐射传热、流体黏度随温度变化、有和无滑移边界条件下的可渗透竖直平板Blasius流层流边界层的无量纲速度场与温度场进行了深入研究.经相似变换将描述速度场与温度场耦合的偏微分方程组转换成非线性常微分方程组,用Runge-Kutta法对常微分方程组进行了数值求解.研究了无量纲参数对无量纲速度场及温度场的影响,着重分析了滑移边界条件下速度和温度随无量纲参数的变化规律.结果表明:吸入时边界层变薄,喷注时边界层加厚;对比于无滑移边界条件,滑移边界条件下速度、温度边界层变薄;随着变黏度参数a或喷注与吸入参数的增大,壁面摩擦因数、局部努塞尔数Nu增大,速度和温度边界层变薄;随着普朗特数Pr、热辐射参数R的增加,或毕渥数Bi,布林克曼数Br的减小, 温度边界层变薄.      

Effects of temperature distribution and level on heat transfer on a rotating free disk

In gas turbine engines, with the existence of the intense forced convection and significant buoyancy effects, temperature distribution and level on turbine or compressor disks affect the heat transfer characteristics strongly. In this paper, numerical simulations were performed to analyze these influences for a free disk, with the laminar and turbulent flow respectively. The influences of temperature distribution on the heat transfer were observed by using incompressible cooling air, and temperature profiles of nth order monomial and polynomial were assumed on the disk. The analysis revealed that the heat transfer for two flow states on the free disk is determined by the exponent n of the monomial profile when specifying the rotating Reynolds number; for an arbitrary polynomial profile, the local Nusselt number can be deduced from results of monomial profiles. To study the effects of temperature level on heat transfer singly, monomial profiles were used and the local Nusselt number of compressible and incompressible cooling air were compared.And both for two flow states, the following conclusions could be drawn: the relative difference of local Nusselt number is mainly controlled by nondimensional local temperature difference, and almost independent of the monomial's coefficient C, exponent n and the rotating Reynolds number. Subsequently, a correction method for heat transfer of the free disk is presented and verified computationally, with which the local Nusselt number, obtained with a uniform and low temperature profile, can be revised by arbitrary distribution and high temperature magnitude.      

并联硅基扩缩微通道热沉强化传热特性

采用去离子水作为冷却工质,实验研究了并联硅基扩缩微通道热沉内的流体流动与强化传热特性.基于微尺度强化传热机理,设计加工了两种并联硅基扩缩微通道热沉.通过测量流体的体积流量、进出口压降与温度、热沉底面加热膜温度,并以传统矩形直通道热沉为参照,获得了并联硅基扩缩微通道热沉在恒热流边界条件和不同体积流量工况下流体流动与对流传热特性参数.结果显示:相对于矩形直通道,并联硅基扩缩微通道热沉的表面传热系数可提高12.5%~85.1%,但摩擦因数只增加了-9.2%~31.4%.表明并联硅基扩缩微通道热沉具有优越的强化传热特性.      

流量突变条件下煤油流动与对流传热特性实验

对流量突变条件下RP-3航空煤油的圆管流动与传热过程进行了实验研究。燃料流动与传热实验是在超临界压力为3MPa、燃料温度为300～650K、雷诺数为3000～60000范围内进行的。实验同步测量了圆管煤油温度、壁温、油压的沿程分布,并应用基于动量与能量守恒的非定常控制体分析方法,获得了航空煤油壁面摩阻系数与传热努塞尔数的分布。实验结果表明:当煤油温度未超过临界值（约650K）、处于过压液态时,该实验条件下的入口流量的突增或者突减过程对摩阻系数与努塞尔数的影响很小。      

运用区域法模型计算燃烧室内一维辐射换热

采用一种机理严密,精度高的区域法辐射换热模型用于燃烧室壁温计算.采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流密度和壁面温度分布情况.结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流密度较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流密度分布更趋合理.      

关于墙体的保温与隔热

通过对一夏热冬冷旧居民楼墙体外保温改造实例的分析与计算，说明保温材料的选择，自然通风方案的确定对室内热舒适度的影响。     

锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验

采用微机电系统(MEMS)工艺在硅片上制作锯齿形微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,同时与相同高宽比和当量直径的平直微通道进行了对比,讨论了锯齿形硅微通道强化换热的机理.研究表明:锯齿形微通道内流动摩擦常数fRe和换热努塞尔数Nu较平直微通道均有明显提高,且提高幅度随雷诺数Re增加而增加;相同泵功条件下锯齿形微通道换热热阻显著下降.