脉冲射流强化喷流混合流动显示实验

采用激光诱导荧光的流动显示方法研究了在一对反对称模式工作的脉冲射流激励下,雷诺数约为33 000的圆形湍流射流的流场。捕捉了剪切层中大尺度展向涡结构的演化发展过程,研究了激励频率和振幅对涡结构以及强化混合效果的影响。结果表明:受激励后的主喷流剪切层中产生了交错的展向涡结构,引起了喷流的振荡,增强了卷吸能力。激励频率主要影响相邻涡环间的距离。存在最佳激励频率使喷流在受激励平面远场分叉、剪切层扩展最宽。激励振幅对涡结构也存在较大影响,振幅较大时产生的涡结构尺度更大、相干性更强、强化混合效果更好。      

脉冲射流强化圆柱喷流混合的三维数值模拟

对利用脉冲射流强化圆柱喷流混合的流场进行了数值模拟,这项工作将高频高强度信号射流射入亚音剪切层以强化喷流混合.利用有限体积法和重整化群(RNG)k-ε湍流模型求解N-S方程.分别进行了低亚音马赫数及高亚音马赫数喷流直接排入空气的数值模拟.主要计算3个状态:未受激励的状态,斯德鲁哈尔数St分别为0.2和0.4时的状态.数值模拟结果显示,脉冲激励引起喷流在与激励源平行的平面迅速扩展,在与之垂直的平面收缩,当脉冲射流激励的St在0.2附近时,相关的混合较好,而且少量的射流流量可以极大地增加速度的衰减率.      

后向台阶层流分离剪切层特性研究

应用激光测速仪对生向台阶层流边界层分离产生的剪切层在再附前的发展进行了测量，得到了时均速度、湍流强度及剪切层厚度等的分布特性，并研究了来流湍流度对台阶后流场湍强度分布及剪切层发展的影响，实验中发现台阶后有一个流速降低的区域，对此从涡动力学的角度作了解释。     

轴对称钝体前缘分离剪切层的非线性行为

实验研究了锐前缘轴对称钝体前缘分离剪切层发展演化的动力学过程,以及分离剪切层与外加声激励之间的非线性作用.研究结果表明,自然状态下,存在着亚谐频现象,分离剪切层的演化发展是通过涡合并方式实现的.从分离到再附,层流分离剪切层一般经过2次涡合并过程,湍流分离剪切层一般经过5次涡合并过程.混沌动力学分析表明,层流分离剪切层是经过Hopf分岔和周期倍分岔途径进入混沌状态的.此外,讨论了分离剪切层对外加声激励的响应.     

战术导弹横向喷流数值模拟

为了研究喷流对导弹不同升力面的干扰影响,通过数值求解N-S方程来模拟超声速外流场中横向喷流的干扰流场,采用分块对接网格和"O"型网格技术,精确模拟喷口截面及弹翼形状,生成高质量的贴体计算网格.通过几种升力面和弹身组合的超声速横向喷流干扰流场的数值模拟,计算的马赫数为2和4.5,计算结果显示具有升力面的喷流干扰比光弹身的喷流干扰大.研究和分析了喷口附近流场的涡系结构和波系结构,并将导弹喷流干扰力放大因子及喷流引起的压心变化的计算结果与目前国外公布的试验值进行比较分析,二者显示了良好的一致性.     

喷口布局对导弹侧向喷流控制作用的数值模拟

为保持飞行器在稀薄大气中的机动性,通常采用喷流反控制作用(RCS),但在超声速来流中,这会导致飞行器表面出现复杂的喷流干扰流场,对飞行控制造成了巨大影响。为提高对超声速条件下的侧向喷流控制作用的规律性认识,应用数值模拟方法,研究了超声速条件下的无舵光滑弹体和带尾舵的弹-翼组合体上的声速侧向喷流控制问题。开展了关于喷口布局对侧向喷流控制效果影响规律的研究工作,并通过引入法向干扰力沿程增长系数从定量角度加以分析。计算结果表明:在有尾舵的情况下,喷口位置的后移和马赫数的增加能够显著增强侧向喷流控制效果;当喷口位置位于舵面之前时,喷流干扰力放大系数随迎角增大而增大,随来流静压增大而减小;当喷流位置后移至舵面之后时,规律相反;在某些喷口位置和来流条件下,弹-翼组合体的侧向控制效果与无舵光滑弹体相比并不具备优势。     

脉冲射流强化喷流混合的数值模拟

采用高振幅低流量射流射入亚音剪切层以强化喷流混合,对利用脉冲射流强化喷流混合的流场进行了数值模拟.利用有限体积法和重整化群(RNG)k-ε湍流模型求解N-S方程.分别进行了低亚音马赫数及中等亚音马赫数喷流混合的数值模拟.数值模拟结果显示,无论是对于低亚音速热喷流还是中等亚音速热喷流,脉冲激励引起喷流在与激励源平行的平面迅速扩展,在与之垂直的平面收缩,当脉冲射流激励的斯德鲁哈尔数在0.2时,可以得到较好混合,而且少量的射流流量(占主流流量的1%)可以极大地增加速度及温度的衰减率,随着流量的增加(占主流流量的3%),喷流混合得到进一步的加强.     

超声速横向喷流侧向控制的数值模拟

为研究来流攻角和喷流位置对横向喷流侧向控制力的影响,通过数值方法模拟了超声速条件下的横向喷流干扰流场,计算得到的壁面沿程压力分布与实验结果吻合良好.采用喷流力放大因子和实际作用位置表征喷流侧向控制力的实际作用效果,引入法向干扰力沿程增加系数来分析弹体表面的压力特征区域对侧向控制力的影响.计算结果表明:在喷流干扰下,侧向控制力大小不等于喷流设计推力,并带有绕喷流中心位置的低头力矩;低压尾迹区是影响侧向力实际作用效果的决定因素;攻角的增大和喷流位置的后移,分别有助于削弱低压尾迹区的干扰强度和作用范围,从而增强侧向控制力的实际作用效果.      

类X-51A飞行器非定常湍流精细模拟

针对类X-51A飞行器在超声速大迎角状态下存在的大范围非定常分离流动,开展了精细化湍流数值模拟研究。计算基于高阶格式下的延迟分离涡模拟方法（DDES）,来流马赫数为2.5,迎角为10°。分析了该复杂流场中存在的分离流动现象、分离流动诱导的气动特性变化规律以及压力脉动特点;其中重点研究了壁面压力脉动强度分布情况和监测点压力脉动频谱特性。分析结果表明:飞行器大迎角飞行时从侧缘诱导出明显的分离涡,并对尾部舵面产生干扰;受干扰尾舵表现出明显的非线性及非定常气动特性;分离涡的存在导致飞行器尾舵前缘等位置的壁面压力脉动显著增强,200~300 Hz的低频高幅值脉动可能会导致结构破坏。      

基于湍流尺度的混合RANS/LES模型

比较BL(Baldwin-Lomax)湍流模型的内层模型与Smagorinsky亚格子模型,两者的主要差别在于湍流尺度的计算方法不同,而RANS(Reynolds Average Numerical Simulation)方程组与LES(Large Eddy Simulation)方程组在形式上又是相同的.基于这两点,发展了RANS/LES混合模型.该模型是在网格滤波尺度与到壁面的距离相等处将流场分区,在近壁区直接求解RANS方程组,在远离壁面区域,求解LES方程组.为了保证湍流粘性系数在内外层分界处的光滑过渡,内外层湍流粘性系数通过混合函数连接.混合方法减轻了对壁面附近网格分辨率的要求和时间步长的限制,因此比LES所需的计算成本少.用该混合模型模拟了绕双椭球的高超音复杂流场,结果表明采用混合模型可以准确地模拟可压缩湍流流场.      

气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性,利用流热耦合（CHT）方法,对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中,对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案,分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上,以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象,重点围绕冷却射流与主流的相互作用,讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度;气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合,流动换热特性互相影响;冷气射速低时,增加冷气流量可提高气膜冷却效率,冷气量达到一定值时,冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差,下游冷却效果变好;冷气射速较高时,将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等）,对温度分布存在一定影响。      

喷流制冷的高超声速后台阶流场气动光学效应研究

近年来,临近空间的军事应用价值受到了越来越多的关注。为了研究高超声速飞行器典型后台阶结构的气动光学问题,采用研究稀薄气体动力学的直接模拟蒙特卡洛算法(DSMC)研究了临近空间不同喷流控制下的后台阶流动特性,并采用光线追踪方法研究了不同流动控制下流场的气动光学效应。计算结果表明,随着飞行高度增加,壁面热流将增加,同时气动光效应将变弱。在四种喷流冷却方式中,喷流方式A的冷却效果最好,同时没有增加气动光学效应,B、D方式具有一定的冷却效应,但使得气动光学效应更加严重。     

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋（0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm）、外覆多孔烧结层的粗糙针肋（粒径为73~53 μm）。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5 mL/s下,随着加热热流密度由5 W/cm2增加至100 W/cm2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6 W/cm2、80.5 W/cm2改变工质流量（射流雷诺数）的实验工况,当工质流量由7.5 mL/s逐渐降低至1.0 mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。      

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应，为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果，实验使用高频交流电源，基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射，研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用，火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强，从而扩大了剪切层燃烧宽度，同时燃烧释热速率会明显提高，这主要与等离子体活化效应有关，并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时，等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角，使火焰高度降低、宽度增大，且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响

计算了微射流强化混合喷流在3~5μm波段的红外辐射特性,并与无微射流强化混合的喷流红外辐射特性进行了比较,分析了微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响.喷流的流场及温度场结果采用有限体积法求解N-S方程得到,采用Tam-Thies湍流模型模拟喷流.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程得到.计算结果表明,在中等亚音速条件下,微射流可以达到较好的强化混合效果,射流流量占主流流量1%时,喷流的红外辐射强度比基准喷流的红外辐射强度降低15%左右,射流流量达到主流流量的3%时,喷流的红外辐射强度可以降低27%左右.     

扰流片分离流动特性的数值研究

在非结构网格下,采用SIMPLE算法结合两层带状边界层模型求解雷诺平均N-S方程.研究了底部间隙对平板扰流片引起的分离再附流动结构的影响.结果表明带底部间隙扰流片的流动结构主要由顶部绕流和底部间隙射流影响.底部间隙的大小决定了射流的强度,最终决定了绕流的结构.随着底部间隙的增大,绕流经历了封闭单涡回流区、射流干扰回流区以及平板绕流3种流动结构.它们之间的分界点分别是用扰流片宽无量纲间隙g/h=0.2,0.4.底部间隙0.2＜g/h＜0.4,底板压力分布基本保持不变,因此不会影响其应用于飞机部件的静态气动特性.      

超音速喷流DPIV瞬时速度场实验测量

介绍了采用数字式互相关粒子图像测速系统(DPIV)在测量超音速喷流实验中的应用;实验给出了设计马赫数Ma=1.5的小型拉瓦尔喷管在不同总压和反压比条件下,喷流速度场、流线、涡量分布等定量信息.实验结果显示出流场中激波前后流体速度,涡量分布的明显变化,波系的结构和不同于一维管流的流动特性.     

动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

微射流作用下的超声速流场控制机理研究

以24°压缩拐角为流场模型,针对不同注入总压微射流作用下来流马赫数为2.9的超声速压缩拐角流场进行了数值研究,喷射方向与来流垂直。研究表明,微射流阻挡作用下,其下游速度被减小,而减弱了分离激波强度。此外,微射流与来流耦合会产生正反向旋转流向涡对,在其下洗作用下,高能量流体被带入到边界层底部近壁面处,使此处低能流体被激活,进而增强了边界层的抗逆压能力不易发生分离,且这种激活能力会随注入总压的增加而增强。权衡控制效果和注入能量认为,注入压比(注入总压/来流总压)为0.60的微射流为最优方案,在其作用下,拐角区分离面积被减小了近70%、激波交汇点与壁面的距离被降低了近37%、分离激波强度被削弱近12%。