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。     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

槽道湍流的法向与展向电磁力壁面减阻

法向与展向电磁力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力.为进一步揭示该方法的减阻机理,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟(DNS),对槽道湍流的法向与展向电磁力控制和减阻问题进行了研究.结果表明,对于确定的流向波长λx+,存在最佳的电磁力强度St,使阻力降最大,最佳St与λx+成反比.法向与展向电磁力对湍流的控制过程实质上是一种由电磁力诱导的调制波对壁湍流的调制过程.在优化参数控制下,当法向与展向电磁力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制.在这种调制波作用下,调制流场逐渐主宰壁面边界层,这导致了壁面阻力的下降,平均减阻率最高可达8％.     

槽道进气角和转折角对叶栅流场特性影响的研究

数值模拟了槽道进气角和转折角对开槽叶栅流场特性的影响.结果表明,槽道出口射流可以吹除叶片吸力面尾缘附面层分离气流,改善叶栅性能;存在使叶栅性能提高最大的最佳槽道进气角,随槽道进气角增大,槽内气流将因槽道几何转折角增大而增加流动损失,从而减小气流出口速度,降低其作用效果;当槽道进气角较小时,由于槽道进出口两端静压差减小,槽道对气流的加速作用下降,射流的作用效果也将降低.      

声激励下旋流钝体火焰的非线性响应实验

在常压条件下对二甲醚贫燃预混旋流钝体火焰施加100 Hz的外加声激励,运用高速OH^*化学发光成像和粒子图像测速锁相同步测量的实验方法,针对不同速度脉动比例下的火焰形态特征和流场特征的动态变化开展可视化测量,得到火焰描述函数。研究发现,随着声波幅值增大,火焰的热释放率将先线性增加,在到达扰动临界点后,火焰出现非线性响应现象,实验中的临界速度脉动比例为16%。同时,通过逆阿贝尔变换和本征正交分解等方法比较了火焰线性响应与非线性响应工况的流场和燃烧场差异,发现在非线性响应工况下火焰形态的涡卷起和流场中的外回流区涡脱落特征增强,这表明外回流区涡脱落增强现象可能是诱发火焰非线性响应的原因。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

地面效应下前/后掠翼气动特性研究

针对飞行器在地效区飞行时复杂的流场特性,通过求解定常可压N-S方程,改变机翼后掠角和地效区飞行高度,研究不同前/后掠角机翼在地效区内的气动特性。结果表明:在地效区内,随着后掠角的增大,机翼的升力系数和阻力系数呈现先增后减的变化规律,后掠角在0°附近时升力系数达到最大值,阻力系数在10°附近达到最大值;俯仰力矩系数随着后掠角增加而减小;展向流动在后掠角为0°时最小,展向流动随着后掠角增大或减小剧烈变化;机翼下洗角随着后掠角增大而减小,随着离地高度的减小而减小。研究结果可为地效飞行器的概念方案设计和优化提供理论依据。     

不同雷诺数下展向凹槽对高负荷扩压叶栅损失特性影响的数值研究

为研究吸力面展向凹槽在不同雷诺数下对叶栅损失特性的影响，以高负荷扩压叶栅为研究对象，基于数值模拟方法深入分析了不同凹槽方案对叶栅损失的控制效果。研究结果表明：在雷诺数为5.5×10⁵条件下，展向凹槽使吸力面湍动能增加，转捩提前，同时凹槽的扰动会造成较大的湍流边界层损失，使得总体损失增大，但合理的凹槽设计仍可有效改善-9°冲角条件下的流动损失；在雷诺数为1.35×10⁵和4×10⁴条件下，展向凹槽改善了叶型前缘载荷分布，抑制了层流分离泡的发展，在设计冲角条件可使总压损失最大减小8.45%。随着雷诺数降低，展向凹槽组位置越靠近叶型前缘，在-9°～+6°冲角内，其减损效果越好。但在设计冲角条件下，3-4-5-6凹槽组的作用效果在3种雷诺数下均是最优的。     

用一种非线性k-ε模型计算突扩台阶后的流动

对一种新的非线性k-ε模型的无量纲系数进行了重新拟合.用新的系数计算了槽道流动、方截面管流和等应变率,平均流场无旋流动的正应力分布.计算结果与实验资料符合很好.将该模型并入常规的k-ε模型的计算程序中,并对突扩台阶后的湍流流动进行了数值计算,同线性k-ε模型的计算结果和实验结果进行了比较.结果表明,这种非线性k-ε模型同线性模型相比有较大的改进,同已有的其它非线性模型相比,也有一定的优点.     

微秒脉冲等离子体激励控制侧风条件下短舱流动分离实验研究

典型短舱进气道在侧风飞行条件下会发生流动分离,产生进气畸变,严重影响发动机性能。将等离子体流动控制技术用于短舱进气道侧风畸变控制,改善进气流场品质。采用纹影系统研究微秒脉冲介质阻挡放电(μs-DBD)等离子体激励器的激励特性,结果表明,任一脉冲周期的开始时刻激励流场产生半圆形冲击波,微秒脉冲通过对流场进行快速加热,能够产生冲击扰动效应,促进流动掺混。随后,采用总压探针对短舱进气道气动交界面处的总压损失情况进行测量,探究μs-DBD抑制侧风条件下短舱流动分离的规律。结果表明:μs-DBD激励能有效降低侧风条件下进气道分离流场的出口截面总压损失系数,缩小侧风分离区;流动控制效果随激励频率的增大而增强,当激励频率达到一定阈值后,流动分离得到完全控制;保持短舱进气道轴向与来流之间的夹角不变,在相同激励频率下,来流速度增大,流场分离程度减小,流动分离控制效果增强,分离流场得到完全控制所需的激励频率降低;探究不同激励器布局的控制效果,在相同来流参数和激励器参数下,展向布局激励效果优于流向布局激励。为进一步模拟真实发动机的影响,在短舱后部进行抽吸,短舱流通能力得到提升,流动分离减弱,但μs-DBD激励仍能对侧风流动分离进行有效控制,流动控制效果随激励频率的变化规律与无抽吸情况下相同。     

动压气浮永磁同步电机高稳定性转速控制

针对动压气浮永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)无传感器高稳定性转速控制难题,开展了基于正弦波驱动的双闭环控制研究。首先,设计了锁相环(Phase-locked Loop, PLL)转子位置估计器,实时估计转子位置;其次,提出了一种正弦波驱动方法,减小了转矩波动;最后,构建了电流环和速度环组成的电机闭环控制系统,提高了电机抗负载扰动能力和转速波动抑制能力。试验结果表明,永磁同步电机的转速平稳性达到了10^-5量级。     

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.      

槽道宽度对压气机叶栅气动性能的影响

数值模拟了槽道宽度对压气机叶栅气动性能的影响.结果表明,在4种采用不同槽道宽度的叶片开槽流动控制方案中,槽道出口射流均能有效吹除叶片吸力面尾缘附面层气流,提高叶栅气动性能,并存在使叶栅性能提升最大的最佳槽道宽度;随着槽道宽度增大,槽道出口射流流量及其作用范围得到增大,但同时也增加了射流在槽道出口处的流动损失,限制了射流的作用效果,从而使大槽道宽度时的叶栅性能下降.      

等离子体气动激励复合横向槽结构提高气膜冷却效率的数值研究

基于横向槽结构和等离子体气动激励的新型流场调节方法,采用RNG k-ε湍流模型,数值计算分析了常规圆形孔、带横向槽以及带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率,揭示了等离子体激励器复合横向槽新型气膜冷却结构的冷却机理及规律。结果表明:圆形孔气膜冷却结构,气膜孔出流与主流混合强烈,在流场中形成了肾形涡对,冷流被逐渐抬离壁面,热流被卷吸到冷流下方,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器的气动激励后,产生了反肾形涡对,使得肾形涡对的平均涡量减小了42.64%,同时诱导冷流贴壁流动;横向槽的存在使得气膜孔出流在展向分布更宽,更贴近壁面,肾形涡对的强度较弱;在横向槽和等离子体气动激励的共同作用下,反肾形涡对的强度最大,使冷流的展向分布区域更大并贴近壁面流动。与圆形孔气膜冷却结构相比,在吹风比M=1.0下,带等离子体激励器、带横向槽和"等离子体激励器+横向槽"等三种气膜冷却结构的全局平均气膜冷却效率分别提高了181.6%,73.5%和200.5%。     

转子轴系耦合振动模型一般性解析式推导与分析

基于转子受到的线性和非线性作用机理,引入线性尺度因子、非线性尺度因子和耦合强度比作为特征参量,分别构建了阻尼力和刚度力的一般表达式,进而推导出转子轴系一般形式的线性与非线性耦合的振动模型.基于仅考虑质量不平衡激励的单圆盘转子轴系,应用多尺度法求解出该方程的稳态解及瞬态解.通过对解析解的分析,揭示了线性与非线性耦合作用及响应的振动机理.通过数值计算分析了瞬态时间尺度因子对响应的影响,瞬态时间尺度因子越大,瞬态解衰减越快,越接近于稳态解.对稳态解短时傅里叶变换的幅频特性进行分析,可发现1倍频出现了非线性特征,3倍频存在双峰特征,进一步阐述了非线性尺度因子对转子轴系耦合振动的影响.      

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明：随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。     

流体微团作用与流动结构变化试验分析

为了分析湍流流动中流体微团所受作用与流动结构变化之间的关系,在槽道湍流边界层中通过粒子图像测速(PIV)技术,拍摄流向-展向平面流场,采用本征正交分解方法提取湍流流动中不同尺度的含能结构。采用矢量象限组合分析方法,将流场中流体微团所受作用分为肿胀作用、弯曲作用和旋转作用。结果表明:流动结构变化机理与这3种作用相关;肿胀型条带间流体微团受到的主要作用是弯曲作用,在弯曲作用下直条带会弯曲,弯曲条带在肿胀作用下汇聚成肿胀型条带;随着流动结构尺度减小,旋转作用逐渐增大。