高精度数值方法与非线性扰动研究

通过数值模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算的精确性。本文还研究了波-波与涡-涡两种典型的非线性扰动模型,结果表明:在自由剪切层中,波-波模型能加快扰动的增长速度,并激发出了λ结构,但仍然经过了线性失稳阶段;在钝体头部的超声速边界层中,涡-涡模型通过涡-涡相互作用,产生“发卡”结构,进而出现湍流斑。在此过程中,没有线性失稳的迹象。     

Fourier伪谱方法在不可压缩平板边界层研究中的应用

以三维不可压缩平板边界层为研究对象,扰动形式N-S方程为控制方程,从空间模式的角度,直接数值模拟了三维不稳定T-S波传播的过程.时间离散采用三阶精度混合显隐分裂格式,空间离散则结合Fourier伪谱方法及高精度紧致有限差分逼近,法向采用非等间距网格坐标变换,出口边界条件采用嵌边函数法,程序采用MPI(Message passing interface)并行方法编写.实例验证,该方法计算结果与流动稳定性分析的结果一致.      

局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的研究

在壁面上构建局部扰动,数值研究不同特征的局部扰动对平板边界层流动稳定性影响的作用机理,进一步探讨壁面扰动的分布、类型、强度大小对三维扰动波在平板边界层流动中的非线性演化规律以及失稳机制的问题.确定什么样的局部扰动能使三维扰动波快速增长或者是什么样的局部扰动能对流动起抑制的作用,同时寻求在三维扰动波向下游发展过程中的传播方向会发生怎样的变化等.对该问题的深入研究,将使人们能深入理解认识平板边界层流动过程中的转捩发生、流动失稳及湍流形成的理论机制.     

平板边界层中展向波包型扰动引起的转捩

过去在平板边界层转捩及湍流的研究中,主要考虑的扰动在展向是均匀分布的,这样有利于研究,但在实际问题中扰动形式是多样的,边界层可能是三维的,扰动在展向是不均匀的。对于以往研究的扰动来说,三维平板边界层中的展向非均匀扰动是比较复杂的扰动形式,更接近自然转捩,因此研究这种扰动引起的转捩和湍流具有重要的实际意义。基于此,针对平板边界层,控制方程为无量纲化的Navier-Stokes扰动方程,时间上采用三阶精度的差分格式,空间上展向采用伪谱方法,流向和法向采用高阶精度差分格式,应用数值模拟的方法研究了小幅值和有限幅值展向波包两种情况。通过数值模拟和线性稳定性理论分析小幅值波包的演化,得到了小幅值波包的演化符合线性稳定性理论(LST);分析了有限幅值的展向波包型扰动引起的转捩和湍流,描述了物理空间和谱空间中波包型扰动的演化特征;同时针对不同展向位置进行分析,结果表明不同展向位置的转捩位置不同,但转捩过程和特征是类似的。     

超声速边界层转捩实验可控扰动的引入方法

通过数值模拟的方法,研究了在二维平板超声速边界层中,由壁面处安装的激振薄膜引入的扰动的演化过程.主要得到了如下结论:由激振薄膜引入的扰动能很快演化成标准的T-S波,但扰动的各物理量的演化为T-S波的速度并不相同,即各物理量并不同时形成T-S波,速度最先形成,而温度最晚.在相同的条件下,由不同激振形式或不同宽度的薄膜引入的扰动的演化速度基本相同.     

局部抽吸对边界层流动稳定性的影响和控制研究

在边界层壁面上,设计局部抽吸结构,采用直接数值模拟的方法,获得稳定的三维基本流.在此基础上,研究稳定及最不稳定的二维扰动T-S波的时、空演化机制;进一步探讨了局部抽吸的形式、强度大小及分布结构对二维T-S波的非线性演化影响及其对增长率的贡献大小.结果表明,局部抽吸结构诱导产生的三维基本流是扰动波得以快速增长的一个关键性因素,这是由于平均流剖面的改变及展向速度的出现,增强了流体运动中的不稳定性、扩大了中性曲线的不稳定区域范围.在最不稳定的二维扰动T-S波的非线性演化过程中,由于非线性作用的不断增强,逐渐激发产生出三维扰动波及高次谐波,其三维扰动波的流向波数和频率与二维扰动波的流向波数和频率相同;同时展向速度的大小对二维扰动波的增长、流动的失稳、流向涡的形成等方面都起着激励的作用.随着时、空的不断发展和非线性作用的迅速加强,正、负相间的流向涡逐渐形成,强度逐渐增大,流向涡的影响区域也在不断扩大,涡的形状逐渐拉伸变长,并出现强的剪切层,流动开始失稳等其它机制;这些结论与文献[4、5]的结果相吻合.     

超声速小攻角下的圆锥转捩攻角效应

采用高阶差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对超声速零攻角和小攻角圆锥边界层转捩进行了空间大涡模拟研究.在三维Tollmien-Schlichting(T-S)波扰动作用下,计算得到了流场非定常转捩过程.计算结果清晰地展现了非定常大尺度结构演化特征和攻角效应引起的非对称转捩现象,流场发卡涡、横流涡等转捩主控大尺度结构与实验一致.     

在激波风洞中转捩现象的观察

1.引言 众所周知,层流边界层的不稳定性分三个阶段:第一阶段由二维线化Tollmien-Schlichting波理论所制约(以下简称T-S波),已被许多实验所证实。第二阶段由于非线性和三维效应,T-S波在向下游传播时,它的幅值不再按上述理论预计的那样变化,但仍为有限幅值。第三阶段T-S波失稳,也即层流边界层失稳,向湍流转捩,最后发展成湍流。第二、第三阶段无理论可循,只有借助实验。Klebanoff在低速平板上,用热线风速仪仔细地研究了层流边界层第三阶段的特征。发现当T-S波失稳时,突     

后掠翼可压缩三维边界层稳定性计算

采用可压缩线化稳定性理论对后掠机翼的层流边界层稳定性进行了计算研究。对三维边界层中三维扰动波的可压缩稳定性方程组特征问题采用相关两步格式求解。与常用的初值法相比,具有不需预估特征值和快速收敛的特点。为得到渐近边界条件的准确表达式,导出了外边界上方程的解析解,这对精确的特征值计算和分析至关重要。为避免出现伪不稳定模态,选择了合适的稳定性方程组形式。最后,通过层流控制机翼和自然层流机翼的算例,研究了后掠翼上典型Tollmien-Schlichting(T-S)型扰动和横流(C-F)扰动稳定性问题,其结果与已有计算结果符合甚好。     

超声速边界层三维扰动引起小激波的数值研究

通过直接数值模拟的方法,研究了M=4.5的超声速边界层中三维扰动的演化。以某一剖面为入口,加入一个及一对三维T-S波,发现随展向波数的增加,扰动幅值的增长率逐渐减小,证实了M=4.5的超声速边界层中,当三维扰动达到一定幅值时会有小激波出现,为建立可压缩流动稳定性理论提供了依据。     

超声速流中圆锥头部钝度对边界层稳定性的影响

通过直接数值模拟,计算得到超声速流中各种钝度圆锥周围的流场情况.结果表明圆锥头部钝度增加,使边界层增厚,边界层向自由流的过渡变得更平缓.这种变化进而使流场稳定性发生改变,通过对流场进行线性稳定性分析发现,随着圆锥钝度增加,边界层中最先出现不稳定波的位置向后移动,临界雷诺数增加;流场中存在不稳定波的频带变窄,同时整体向低频方向移动;T-S波的不稳定频段向低频移动时,其增长率减小,不稳定特性减弱.     

Feedback control of boundary layer Tollmien-Schlichting waves using a simple model-based controller

The attenuation of spatially evolving instability Tollmien-Schlichting (T-S) waves in the boundary layer of a flat plate with zero pressure gradients using an active feedback control scheme is theoretically and numerically investigated. The boundary layer is excited artificially by various perturbations to create a three-dimensional field of instability waves. Arrays of actuators and sensors are distributed locally at the wall surface and connected together via a feedback controller. The key elements of this feedback control are the determination of the dynamic model of the flat plate boundary layer between the actuators and the sensors, and the design of the model-based feedback controller. The dynamic model is established based on the linear stability calculation which simulates the three-dimensional input-output behaviour of the boundary layer. To simplify the control problem, an uncoupled control mode of the dynamic model is made to capture only those dynamics that have greatest influences on the input-output behaviour. A Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, i.e. a lead-lag compensator, combining with a standard Smith predictor is designed based on the system stability criterion and the specifications using frequency-response methods. Good performance of the feedback control with the uncoupled control mode is demonstrated by the large reduction of the three-dimensional disturbances in the boundary layer. This simple feedback control is realistic and competitive in a practical implementation of T-S wave cancellation using a limited number of localised sensors and actuators.     

一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源被动控制

为了探索一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源、被动控制方法,采用有限体积法计算流体力学程序,分别对压缩拐角和激波入射平板两种典型流动的附面层分离进行了无源被动控制的数值研究.数值结果表明,新型无源被动控制方法消除了20°压缩拐角流动所产生的分离泡;对激波入射平板所诱导的附面层分离,采用的自适应无源控制方法可将分离区长度减小为无控制时的58％、总压恢复可比无控制时提高7.2％、x=0.85m截面最大回流速度较无控制时减小了69.3％.从而验证了无源被动抑制控制激波-边界层相互作用的可行性.     

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.     

抽吸孔板的气动实验及附面层抽吸数值模拟

 为了给附面层抽吸提供可靠的抽吸边界条件 ,通过对孔板厚径比t/d =0.1～ 2.67,开孔率ε =6.3%～ 23%的多孔板进行实验 ,建立了附面层抽吸孔板小孔马赫数与孔板前后压差、孔板厚径比、孔板开孔率间的关系。发现随着孔板前后压差的加大 ,小孔马赫数增加 ,当孔板前后压差达到一定值时 ,小孔发生壅塞 ,小孔马赫数不再变化 ,孔内流动达到壅塞状态。与此同时 ,总结出了附面层抽吸孔板小孔马赫数的经验公式。为了进一步检验所得经验式的准确性 ,还用实验所得经验式作为附面层抽吸边界条件 ,对来流马赫数分别为1.98,1.58和 0.8三种情况下的附面层抽吸流场进行了数值模拟。计算结果准确反映了超声来流和亚声来流条件下的附面层抽吸的流动特征 ,抽吸流量与Willis和Syberg的实验结果吻合较好 ,表明给定的附面层抽吸边界条件是正确、可行的。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果,发现沟槽面的带条比较平坦,低速带条有较好的直线性,说明沟槽限制了流体的横向流动,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小,最多小30%,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小,但最可几概率增大,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨,得到的沟槽无量纲高度和间距为15～18的沟槽板有较好的减阻效果。     

加糙平板湍流边界层紊动特性

本文应用偏振差动式激光测速仪对加糙平板湍流边界层紊动特性进行了研究,得到了紊动强度、三阶矩、四阶矩、概率密度分布、功率谱、自相关等特征量。结果表明,可据高阶矩的符号来对湍流边界层沿垂向进行分区,并给出了分区标准,同时发现,加糙使边界层湍流趋于均匀、各向同性,即概率密度分布更接近于高斯分布。