基于表面压力信息的空间流向涡识别方法

旋涡与表面的相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中，旋涡影响飞行器表面的压力分布，引起其气动特性的改变。而表面压力分布同样反映飞行器绕流中复杂涡系的空间流动特征，结合迎角、侧滑角等来流参数，可以判断飞行器受力状态和运动趋势。以平面点涡和“镜像涡”理论为基础，建立基于表面展向压力分布曲线的空间涡识别方法。根据截面展向压力分布曲线是否存在因主涡诱导下洗气流产生的正压区，定义流向旋涡的近物面流动和远物面流动；根据二次涡相对于主涡的位置，定义压力分布曲线的“近二次涡侧”和“远二次涡侧”。利用展向压力分布曲线“远二次涡侧”的1/4峰值、峰值及其展向位置，识别流向旋涡空间位置特征和强度特征。搭建涡-面相互作用试验平台，比较空间流场测量结果和表面压力信息识别结果，验证该方法有效性。研究结果表明：通过表面压力分布曲线可以辨识流向旋涡的空间位置和强度特征，空间流场测量与基于表面压力信息的旋涡识别结果的关联性分析验证了该方法的有效性。为重构飞行器周围旋涡流动结构，以及实现飞行器气动力的预测奠定了重要的技术基础。     

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义。利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析。结果表明：流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的。     

高马赫数来流条件下斜激波与流向涡对相互作用

针对斜激波入射流向涡对形成的复杂流动干扰现象,在来流马赫数6条件下,利用后掠斜坡式涡流发生器生成流向涡对,采用数值模拟结合激波风洞实验,研究了斜激波与流向涡对相互作用引起的激波变形和旋涡演变。结果表明,斜激波与流向涡对相互作用的剧烈程度大致分为强、中、弱三种。在强相互作用下,激波面向上游凸起的程度最剧烈,呈现类“T”字型特征,其对称面处接近于一道正激波,波后出现回流区和局部流动滞止,使得流向涡对发生破碎;在中等相互作用下,对称面处存在局部正激波,但没有出现回流区;在弱相互作用下,不再出现局部正激波。进一步地分析发现,斜激波与流向涡对相互作用产生的流向涡对破碎现象,不符合经典的激波作用下单个流向涡破碎理论的预测。采用流向涡对对称面处的气流参数,对经典的流向涡破碎理论进行修正后,能够预测本文流向涡对在斜激波作用下是否发生破碎。本文为掌握激波作用下流向涡对破碎现象的规律,提供了重要参考。     

马赫数6柱-裙激波/边界层干扰直接模拟

高超声速激波/边界层干扰比超声速工况下具有更强的可压缩效应,再附之后会形成极高的局部力/热载荷,严重影响飞行器飞行安全。而激波/湍流边界层干扰区附近流动的三维特性使得流动更加复杂而难以预测。采用直接数值模拟对高超声速条件下的柱-裙激波/湍流边界层干扰进行了详细研究,特别是对Görtler涡结构对分离泡、物面压力和热流造成的展向差异开展了定性和定量分析。研究发现,干扰区附近的分离泡结构呈现出明显的三维效应,且Görtler涡展向分离位置截面的分离泡要明显小于再附位置,而这两个截面上分离泡的运动基本同步,没有明显的延迟或超前现象。物面压力和热流在展向出现显著的不均匀性,展向再附位置的平均压力和热流要比展向分离位置分别高13%和16.2%,脉动压力和热流比展向分离位置分别高28%和20%。截面流向速度特征正交分解结果显示两个位置上的能量都集中在剪切层附近,并且展向再附位置上低频模态占有更高的能量。在采用模态重构流场分析分离区面积发现,展向分离位置重构误差更小,而展向再附位置上的重构误差收敛更快。     

宽速域翼尖涡及其与斜激波相互作用

针对宽速域飞行器产生的翼尖涡及其与斜激波相互作用问题,采用数值模拟方法,在来流马赫数0.2～6.0范围内,研究了翼尖涡的演化特性,并探讨了斜激波诱导翼尖涡破碎的机理。结果表明,在宽速域范围,翼尖涡的切向速度和环量分布仍然符合低速流动中的自相似关系式;在超声速至高超声速流动中,翼尖涡强度沿流向更快地减弱;当翼尖涡与斜激波相互作用时,涡核处压力越低的翼尖涡更容易破碎,而经典的涡破碎理论难以在宽速域范围内准确预测涡破碎现象;通过引入涡核处的压力亏损效应修正经典理论,大幅提升了预测斜激波诱导翼尖涡破碎的能力。     

展向振荡对激波/湍流边界层干扰的影响

周期振荡作为一种有效的壁面流动控制手段受到广泛关注,而其对激波/湍流边界层干扰的影响目前鲜有研究。本文采用高精度直接数值模拟（DNS）方法对马赫数2.9、12°激波入射角、强振荡下的激波/湍流边界层干扰进行了系统研究。通过与无振荡工况的定量比较,揭示了展向强振荡对干扰区内复杂流动结构的影响规律及作用机制,如分离泡尺度、物面压力脉动非定常特性、物面剪切的非定常特性及统计特征等。研究发现：在展向强振荡作用下,分离点位置提前,间歇区长度增大;同时由于分离泡内强黏性耗散的影响,展向振荡的穿透高度约为分离泡高度的4%,因而对流动结构不会产生实质影响。但展向强振荡会对壁面附近流动造成显著影响,如强振荡诱导的壁面展向速度远大于流向速度,造成流向剪切与展向剪切之间夹角的概率密度函数峰值从0°偏移到80°~90°之间。物面压力及剪切本征正交分解分析表明,展向振荡会导致模态能量从低阶模态向高阶模态转移,降低低频运动的能量占比,增强再附后Görtler涡等壁面附近旋涡结构的强度。     

陷窝诱导涡结构数值模拟分析北大核心CSCD

为了澄清陷窝诱导涡结构及其对尾流的扰动方式,针对布置深宽比0.2陷窝的两平板间充分发展流动进行了稳态数值模拟。应用张涵信的旋涡沿轴线的非线性分叉理论分析表明陷窝内涡结构为失稳破裂的半涡环,总结了陷窝对尾流的扰动方式。研究发现,陷窝诱导的旋涡分离为螺旋点/鞍点/螺旋点分离。物面的分离螺旋点形成,在空间演化为垂直物面发展的对称类龙卷风涡结构。对称类龙卷风涡在对称面闭合形成半涡环。半涡环经历了从稳定升起、沿流向随着涡粘性扩散和涡粘性耗散下变得不稳定、到最后在强逆压梯度下泡型涡破裂的过程。半涡环涡破裂涡量散开诱导形成陷窝尾流的弱纵向涡和陷窝尖后缘绕流产生的边涡旋转同向,加强了陷窝后流场的对流强度。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征

对Ma=1.7的空气超声速来流稳焰凹腔上游气体燃料横向喷注的流动混合特征进行了实验和数值模拟研究。在喷注的模拟燃料氦气中添加丙酮,采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)观测了设置开式凹腔时燃料在展向和流向的空间分布。针对下游布置不同凹腔时燃料分布相似的实验结果,选取L/D=7的凹腔对其燃料混合流场进行了大涡模拟。实验和仿真结果表明:实验来流条件下喷注燃料大部分直接由喷流引起的上升反转旋涡对带走,只有小部分燃料经由喷流与凹腔流动涡结构的相互作用进入凹腔剪切层,并随剪切层运动对流进入凹腔内部。     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

超声速剪切层的混合问题

用数值模拟和物理分析相结合的方法,研究了入口速度剖面具有阶跃型的超声速混合层的混合机理和特征.指出在上游起始阶段,混合层产生的展向涡是平行发展的,近似二维情况,涡的运动先是稳定的,后经非线性不稳定性和分叉,并进一步发展为两涡合并或两合并涡的再合并.随着向下游的增加,由于展向出现物理量的三维效应,展向涡要弯曲,并且沿其轴向要分叉演化,产生一个或多个极限环,这就开始改变二维涡合并的发展规律,产生流向和法向的旋涡.如果进一步走向下游,展向涡有的要产生螺旋型和泡型破裂,并且破裂涡与上游来的涡要混掺、缠绕,形成中间夹有小涡的新的大涡相干结构,相应流向、法向涡进一步非线性增强,流动完全改变了二维混合规律,变成真正的三维混合.由于涡的破裂带有随机和间歇性,这种混合过程也具带有随机和间歇性.通过本文对概率密度分布、分数维和间歇因子的计算,证明在流动出口处,基本上已达到了湍流.文中还给出了转捩发生的特征和机理.     

孤立翼尖涡模态演化规律的实验研究

采用主动流动控制方法加快翼尖涡衰减破碎是提升机场起降频率、保证飞机飞行安全的最具潜力的技术之一。由于翼尖涡不稳定性认识的不足,已有的主动控制方法常常不能获得最优的控制效果。为了揭示翼尖涡不稳定模态的演化规律,采用体视粒子图像测速技术和线性稳定性分析方法对孤立翼尖涡的不稳定模态演化特征进行研究,结果表明：孤立翼尖涡的扰动模态可以根据其在特征值谱的位置分成主扰动模态、P族次级扰动模态、A族次级扰动模态、S族次级扰动模态4种;其中主扰动模态和P族扰动模态具有两瓣式的结构特征,决定了翼尖涡摇摆的各向异性特征,A族次级扰动模态具有流向速度波动大于横向速度波动的特征,S族次级扰动模态则具有更高的切向波数和作用范围。不同族扰动模态的流向演化规律不同,翼尖涡的主扰动模态和P族扰动模态沿流向发生旋转,并且扰动幅值随着流向逐渐放大,A族次级扰动模态随着流向发展会逐渐增大扰动幅值;S族次级扰动模态随着流向会逐渐覆盖住整个涡核,这种穿透涡核的扰动会随着流向进一步放大。描述了不同翼尖涡扰动模态的扰动能量随流向的演化规律,发现S族次级扰动模态有更高的切向波数特征,也同时具有较高的扰动能量增长,意味着利用S族次级扰...     

旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称状态下非对称流动机理

针对跨声速条件下,小展弦比截尖三角翼尾舵的旋成体导弹在小迎角、零侧滑、大舵偏对称状态下呈现出的非对称流动现象,本文首次对其进行了分析研究。首先,通过一系列测力试验、表面油流试验及粒子图像测速（PIV）试验对该非对称流动现象进行了精准捕捉,并对其产生的原因进行了分析。然后,基于已获得的试验数据及流场观测结果,借助数值模拟方法对所述非对称流动的细节、拓扑结构、空间形态及舵面压力分布等问题做了深入研究,并进行了详细讨论。结果表明：旋成体导弹小展弦比舵面大偏度对称偏转时,舵面前缘产生的翼尖涡会因舵面相距较近而相互干扰,促使翼尖涡沿流向非对称发展,使得舵面压力分布不均,最终导致非对称流动和较大横向量的产生,影响导弹的气动性能。     

基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。     

高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

摇滚/PIV/压力同步测控技术的发展及其在机翼摇滚研究中的应用

在北航D4风洞已研制的机翼摇滚运动/流动研究组合装置的基础上,为实现在一次实验中同步测量机翼摇滚运动角位移和相应的物面压力分布及空间流动参数,发展了机翼摇滚/PIV/物面压力分布同步测控技术。基于该同步测控技术,进一步研究了前体涡诱导机翼摇滚过程中流动特性及演化规律。此外,还对同步PIV技术中粒子材料的选用进行了研究。     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析,验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征,如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明,分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响,其脉动仍以高频特征为主,低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈,分离泡内对数正态分布规律不再适用,而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层,分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著,峰值概率降低,峰值范围增大。此外,流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

槽道湍流在确定分布的展向电磁力调制下的壁面减阻机理

为了研究槽道湍流中确定分布的展向电磁力的流动控制与减阻问题,采用直接数值模拟的方法,对槽道湍流的确定分布展向电磁力控制后的流场中流向脉动速度、法向脉动速度以及雷诺应力分布的变化规律进行了研究。研究结果表明,槽道湍流流场存在大量分布紊乱的准流向涡和发夹涡结构,经过确定分布的展向电磁力调制之后,该流场的发夹涡结构基本消失,仅存在规律分布的准流向涡结构。控制后的流场相比于湍流流场,其流向脉动速度和法向脉动速度均受到了束缚作用,尤其是近壁区域更为明显。整个控制过程的实质是雷诺应力离散点向原点集中的过程,这个过程导致了流场雷诺应力和壁面阻力的下降。