绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。     

超弹性球体垂直入水空泡流动研究

采用实验与数值模拟相结合的方法,开展了超弹性球体低速垂直入水空泡流动研究。通过入水实验研究发现了超弹性球体入水后特有的球体变形行为和空泡形态。基于径向基函数的变形插值法和虚功原理的力映射法,对超弹性球体的入水过程进行了流固耦合数值模拟,并将入水空泡形态、位移和变形系数的数值结果与实验数据进行对比,验证了本文数值方法的有效性。在此基础上采用数值模拟方法开展了超弹性球体与刚性球体垂直入水流动特性的对比研究,结果表明:超弹性球体入水后由于变形行为及能量的损耗,使得形成的空泡长度比刚性球体小,空泡宽度比刚性球体大;超弹性球体入水后局部绕流与球体变形导致超弹性球体的表面压力变化范围要比刚性球体大。     

基于SST湍流模型的二维操纵面空化流场研究

操纵面是安装在超空泡航行器尾端的关键部件,它的基本功能是提供稳定力矩和操纵力矩。文章基于k-ω模型的SST(剪切应力输运)湍流模型,对典型二维操纵面的空化流动进行数值模拟,根据空化流仿真计算的结果,得到了超空泡外形、阻力特性以及升力特性的变化规律,并与水洞实验进行对比。研究结果表明,仿真结果能够很好地与水洞实验保持一致,说明所采用的湍流模型和数值方法能够准确预报空化流问题,为进一步研究空化流问题提供了一定的参考依据。     

带鳍舵鱼雷流体动力特性的数值计算研究

运用数值求解不可压缩雷诺平均N-S方程的方法研究了带鳍舵无动力鱼雷的流体动力特性。研究表明,本文所采用的Menter两方程SSTκ-ω湍流模型求解雷诺平均N-S方程的数值计算方法,可较为细致的模拟鱼雷周围的定常绕流特性,并对流体动力特性给出合理的流动机理解释。鳍舵对雷体的升力和俯仰特性有显著提高,具有良好的操纵控制能力。     

非定常空化流动及其诱导振动特性研究综述

针对非定常空化流动及其诱导振动特性,从试验和数值计算等方面进行了总结。在空化流动的实验技术方面,详细评述了由单一测量到多场同步测量的发展,指出实现结构和空化流动的多场同步精细测量是试验技术的发展方向。对近年来发展的非定常空化数值模拟方法进行了总结,认为机器学习与计算流体动力学(CFD)的结合将是非定常空化流动和空化流激振动数值模拟方法发展的方向之一。通过对空化流激振动特性的试验与数值模拟研究结果的分析和总结,认为空化发展过程的强烈不稳定行为是影响结构动态振动响应特性的主要因素,通过X射线等技术深入分析空化区域内的回射流与冲击波演化特征,并结合精细化结构振动测试技术,将是今后进一步研究空化流动机理、理解非定常空化流激振动特性的重要关注点。     

复杂非圆管流动与换热特性实验研究

本文研究了 S型这一非圆通道 ,得到了其流动特性 ,平均换热特性和局部换热特性的准则方程。发现由于其几何形状复杂 ,不但很难确定其定型尺寸 ,而且带来了流动和换热情况的复杂性 ,构成一个“多尺度”、“多流态”问题。文中还指出它与其简化成矩形管处理结果的差异 ,以及在流动和换热特性上的许多新特点 ,对非圆管流进一步研究 ,提出了新问题     

水下连发超空泡射弹的流动与阻力特性研究

为了研究连发射弹在水下做自然减速运动过程中的超空泡演化规律和阻力特性,基于N-S方程的有限体积法,引入VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,结合动网格技术,分别建立了水下两连发射弹和三连发射弹的数值计算模型,并进行了数值模拟研究。该研究得到了两连发射弹和三连发射弹的超空泡演化规律;分析了多发射弹之间压力场的互相影响;并结合超空泡演化规律,分析了超空泡演化过程对连发射弹运动的影响机理;获得了连发射弹的阻力特性曲线。研究结果表明:水下连发射弹各自形成的超空泡流场互相影响;后发射弹与它自身形成的超空泡发生分离并进入到前发射弹的超空泡内部;后发射弹进入前发射弹的超空泡内部后所受阻力几乎为零,其速度保持不变,而前发射弹的速度继续衰减,导致后发射弹将追赶上前发射弹并发生追尾碰撞;前、后发射弹发生追尾后,在前发射弹的头部流动分离点和追尾处,超空泡壁面出现扰动,存在扰动的空泡壁面会发生颈缩,空泡逐渐从此位置分裂。     

非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,本文基于DDES（延迟分离涡方法）建立了螺旋桨空化流场数值预报模型。为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨（VP1304）螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。随后基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析。计算结果表明：结本文所建立数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生的越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

高超声速稀薄流的气粒多相流动DSMC算法建模研究

基于直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,构造适用于DSMC算法的固态和液态颗粒碰撞、聚合和分离模型,发展稀薄条件下双向耦合作用的气粒多相流的DSMC算法,在此基础上初步实现高超声速稀薄流环境中的气粒多相喷流流场数值模拟.算例结果表明该方法能为稀薄过渡区气粒多相流动提供一种新的应用研究手段.     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

细长体空间涡系的观测

本文用流态显示技术和空间总压测量,对于钝头和尖拱形头部两个细长旋成体模型在中等和大迎角状态的复杂背涡系进行了实验研究。侧重于“二次分离区”的流动观察和测量。实验表明:在中等迎角时细长体背风面上存在有一对二次涡,它们的旋转方向相反;靠外侧的一个涡尺度较大,其旋转方向与同侧主涡相同,当同侧主涡破裂时,它也发生破裂。随迎角进一步增加此涡呈现出从物面上间断地形成和脱落。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

隔离段内超声速流动摩擦阻力分析

以超燃冲压发动机等截面隔离段内部流动阻力特性为研究背景,以数值模拟和实验测量为研究手段,研究马赫数2.5来流条件下,平板流动和带激波反射流动条件下的壁面摩擦阻力.实验测量得到了超声速流动下的壁面摩擦阻力.研究发现,当激波反射形成局部微小分离时,激波和边界层的相互作用使得分离区下游的壁面剪切应力恢复为比分离区上游稍高水平.存在激波反射时,壁面总的摩擦阻力略大于无激波时的平板流动.     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅱ——数值模拟研究

在实验研究和理论分析的基础上,对亚声速压气机转子尖部复杂流动做了数值模拟研究,旨在进一步深入研究叶尖间隙和进口总压分布对转子叶尖复杂流动的影响。首先通过对与实验条件相同的转子尖部复杂流动的数值模拟研究,校验了数值模拟结果,并分析了转子尖部复杂流动速度场、压力场和涡量场分布特性。然后通过改变叶尖间隙尺度和进口总压分布,研究了二者对近叶尖复杂流动的影响。研究结果表明:当叶尖间隙小于1%叶片弦长时角区旋涡的发展是导致转子失速的关键;而当叶尖间隙大于2%叶片弦长时叶尖泄漏涡的发展是导致转子失速的关键;改变进口总压分布可以合理地组织转子尖部流动并扩大转子工作裕度。此外,通过观测近叶片吸力面二维涡线的发展趋势可以判断叶尖复杂流动的发展状态。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

SPH方法对气液两相流自由界面运动的追踪模拟

气液两相流动是自然界中常见的流动现象,对其进行数值模拟时要求必须能够准确跟踪界面运动变形。本文利用光滑粒子流体动力学方法,结合微可压缩模型(SCM),引入界面控制方法XSPH速度修正以及Van Derwaals状态方程修正,对典型的气液两相流动如二维溃坝、气泡上浮等问题进行了数值模拟,分析了空气和水相互作用机理以及界面运动规律,并同实验结果和其他数值计算结果进行了比较。结果表明,该方法在模拟多相介质界面运动问题准确有效,可用于处理更为复杂的多相流动工程问题。     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

层板冷却涡轮叶片前缘内部流动与传热特性实验

基于相似理论,对简化的层板冷却涡轮叶片前缘放大模型内部的流动与传热特性进行实验研究,对比了无绕流柱和带菱形扰流柱两种实验模型的流动阻力系数、靶面温度和表面传热系数的分布.实验中采用红外热像技术测量换热面的温度,采用ANSYS软件计算换热面的局部热流密度.结果表明:两种模型的流动阻力随进气雷诺数逐渐增大,带菱形扰流柱模型的流动阻力总体上较大;靶面局部表面传热系数的分布特征基本相同,带菱形扰流柱模型的局部表面传热系数比无扰流柱模型的稍高;靶面平均表面传热系数的差别很小,相同进气雷诺数下带菱形扰流柱模型的平均表面传热系数值最多大7%.