分离涡运动和破裂特性的理论研究

本文提出不可压和可压缩粘性涡核运动方程及其解法;研究旋涡破裂边界,初始参数和外流参数对旋涡破裂的影响以及旋涡破裂机理;给出细长三角翼前缘分离涡破裂的理论模拟方法,初始参数对高速旋涡破裂的影响,可压缩粘性旋涡的运动特性以及压缩性效应。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

细长翼绕流中的旋涡特性

 本文综述了细长翼绕流中由前缘分离形成的集中涡的各种运动特性。细长翼翼面上方的前缘集中涡是控制机翼绕流和影响机翼气动力特性的主要因素。为此本文详细介绍了前缘涡的形成及其基本流动结构;前缘涡的破裂现象及其对机翼气动力特性的影响;并给出前缘涡破裂的各种理论模型和它的估算方法。最后还简单介绍了绕流中旋涡之间的绕合现象和互相干扰的流动结构。     

三角翼非定常旋涡运动横截面拓扑结构研究

本文用数值方法求解N-S方程，研究了低速流中三角翼背风面涡破裂演化过程中前缘涡的横截面拓扑结构。从横截面流线发现，从翼尖到近尾迹，前缘分离涡经历了由稳定到不稳定，再由不稳定变为稳定，在尾迹上又再次变为不稳定等三次转换过程，并由三个极限环的产生实现这些转换。对比沿涡轴的轴向速度分布表明，这些截面拓扑结构的变化规律以及极限环的产生与定性分析理论是相符的。当极限环扩散到前缘涡以外的区域时，极限环会溶入外流而消失，所以能否出现多个极限环同时存在的情况，取决于极限环的扩散速度。在涡破裂的产生与演化过程中，前缘涡的横截面拓扑结构沿流向的变化规律基本不变，原因在于涡破裂的产生和演化并没有改变旋涡沿轴向的拉伸和压缩规律。因此旋流沿流向的拉伸和压缩是确定横截面拓扑变化规律的主要因素，涡破裂以及破裂特性的改变，并不产生新的横截面拓扑结构。     

双三角翼前缘剖面形状对涡运动的影响

采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了前缘剖面形状对双三角翼涡运动的影响,分析了前缘剖面形状对三角翼、双三角翼涡运动影响的不同机理 :对三角翼,尖前缘可以形成组织最好的涡结构,但对于双三角翼,圆前缘生成的旋涡结构较靠近翼面,涡结构紧密,诱导能力较强,可以形成有利的涡涡干扰,使内翼涡通过剪切层向外翼涡输入涡量更加容易,合并涡变得更加稳定,推迟了涡破裂,而且由于涡较靠近翼面,因而可以产生较高的非线性涡升力,这同传统的认识是不一致的。     

超音速翼的滚转涡阻尼

本文基于小展弦比锐缘翼在滚转和有攻角状态下翼面的分离涡流场及文献[1]的涡升理论,按超音速线化理论导出了小展弦比锐缘翼在滚转和攻角状态下分离涡引起的滚转涡阻尼的理论计算式。按导得的理论结果,给出了翼面组合参数的滚转涡阻尼因子的部分变化图。本文,同时也给出了本方法与现行的势流理论的部分结果的比较。     

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。     

低背鳍对细长平板三角翼分离涡稳定性影响的研究

对细长锥体分离涡稳定性判据进行了介绍,并应用该判据对细长体平板三角翼和加上两个不同高度背鳍组合体分离涡流场的稳定性进行了分析。为了验证理论分析的有效性,并观察气动力随迎角的变化,根据理论分析模型设计了实验模型,并在低速风洞进行了六分量天平测力实验,三角翼后掠角为82．5°,实验迎角范围12°～32°,侧滑角范围-10°～＋10°,实验雷诺数1．66×106。实验结果表明：在翼面上发生旋涡破裂前,单独细长平板三角翼的横向力／力矩在实验迎角范围内始终为零;加了两个不同高度的背鳍后,在一定迎角下,三角翼的横向力／力矩变得不为零。理论分析结果和实验结果在定性上吻合得很好,初步验证了有关文献关于细长锥体分离涡的稳定性理论。     

陷窝诱导涡结构数值模拟分析

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。     

旋涡运动研究的某些进展

 本文简要介绍研究旋涡运动在以下问题上的某些结果:低速不同后掠角三角翼在各个迎角下的九种分离流类型及其边界;应用微分方程定性论与拓扑学对三维分离流与旋涡流的分析;旋涡破裂形态,对三角翼前缘涡破裂的实验研究与理论分析;受控分离与旋涡的干扰,二旋涡的位移、绕转与合并等。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

超声速X形鸭翼-弹身组合体涡迹发展

应用蒸汽屏方法研究超声速X形鸭翼-弹身组合体涡迹发展。观察了起源于鸭翼后缘的四个翼涡在横截面上形成的“蛙跃”和上反角二翼涡与弹身一对对称脱体涡形成的“混合式蛙跃”现象。在临近蛙跃距离时,有不稳定特性发生。文中还给出了细长体理论计算的涡迹路径跟实验数据比较,结果表明:如果各个旋涡的初始位置和相对强度适合,这种数学模型可计算导弹上的各个旋涡路径,二者存在的差别,可能是由于计算未能模拟涡面和涡量耗散的缘故。为了有助于理解导弹的气动特性,用少量的离散涡计算涡迹路径,作为工程估算是适宜的。     

前缘剖面形状对80°／60°后掠双三角翼上涡流运动影响的数值模拟研究

采用上风高分辨率格式———通量差分分裂格式离散求解三维可压非定常薄层N S方程 ,数值模拟前缘剖面形状对 80°/60°后掠双三角翼上涡流运动的影响。计算模型包括尖前缘、菱形前缘、圆形前缘等三种不同前缘形状的机翼。计算结果表明 :三种不同剖面形状的前缘可以诱导产生不同的前缘分离 ,形成的各前缘剪切层的特点也不同。尖前缘机翼的边条翼涡和外翼涡合并点最靠前 ,其次为菱形前缘和圆形前缘的机翼。在大迎角情况下 ,三种机翼上的内翼涡发生破裂。圆形前缘机翼上的内翼涡破裂点比其它两种情况下破裂点的位置较靠前。涡的合并对二次涡的结构和特点也有显著的影响。     

Pω增强型k-ω湍流模型在三角翼旋涡流动的应用

在三角翼旋涡绕流数值模拟中,标准 Wilcox k-ω湍流模型生成项未考虑旋度的影响而导致预测的旋涡强度较弱。通过引入探测因子区分剪切层和涡核,在旋涡流动的高旋度区域增加ω方程生成项的方法,基于结构化网格上的 RANS 求解器,加入了 Pω增强型 k-ω湍流模型,对绕尖前缘三角翼亚声速和跨声速旋涡流场进行了数值模拟。计算结果与 NASA 的 NTF 风洞和 DLR 的 DNW-TWG 风洞试验数据进行了对比分析,结果表明：不论在亚声速还是跨声速自由来流条件下,Pω增强型 k-ω湍流模型计算的压力分布、涡破裂位置均与试验数据吻合良好,准确地预测出了三角翼上翼面的主涡、二次涡结构,特别是跨声速条件下激波干扰导致的涡破裂的临界迎角及涡破裂位置,表明 Pω增强型 k-ω湍流模型在绕三角翼旋涡流动数值模拟中具有良好的适用性。     

翼分离涡破裂计算及其破裂机理分析

基于Navier-Stokes方程,完整推导出了不可压粘性、非刚性旋转涡核模型的非线性常微分方程组;在均匀外流条件下,得到了由Re和初始的、u_o_i三参数组成的旋涡破裂边界;本法能够精确计算三角翼分离涡的破裂位置;轴对称破裂涡的驻点是轴对称分离点,其下游回流反旋,涡的破裂是过大的初始压差和内部过大的逆压梯度造成。     

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。     

微射流作动器三维外流场数值模拟

采用有限体积法求解Faver平均N—s方程，对三维、粘性、非定常、不可压微作动器外流场进行数值模拟。计算结果揭示了微射流产生、发展与耗散的过程，和实验中观察到的现象比较吻合。旋涡对沿展向的不稳定性是涡环破裂、旋涡对的相干性消失的主要原因。二次涡的发现为以后研究微射流旋涡对的细微结构打下良好的基础。     

连接翼布局气动特性研究

在一个小型低速风洞中进行了五种不同布局形式的连接翼方案实验研究。利用油流法研究了三种连接翼的流谱,初步分析了具有连接翼飞机的气流流动机理。为比较,同时对三角翼常规布局方案进行了实验,所有方案使用相类似的隐身布局机身。实验结果表明,连接翼布局有其特有的流型:翼面分前翼、后翼及外翼三部分,其流型受前翼涡、后翼涡、翼端涡、机身边条涡以及它们互相缠绕形成的新涡的控制。这些涡的产生、发展、离体和破裂的情况不同,形成不同方案气动特性的差别。连接翼布局气动特性优于常规翼布局,特别是最大升阻比可达12以上,失速迎角超过30°。通过前后翼后缘操纵面的有利组合,可以达到提高升阻比,满足纵、横向稳定性和操纵性要求的目的。结果显示,具有扁平机身的连接翼方案是一个有潜力的无人机布局形式。     

大转角正弯扩压叶栅流场性能实验与数值研究

实验对不同冲角下三种叶型折转角环形压气机直、弯叶栅进、出口流场进行了详细的测量,并利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,得到了详细的直、弯叶栅流道内的计算结果。结果表明,大折转角叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯使得流道内近吸力面的涡系径向掺混作用加强;叶展中部流动分离的加重导致集中涡系破裂,从而引起流道内气流的严重堵塞,这是损失激增的主要原因,因此,要在高负荷压气机叶栅中应用正弯叶片,必须有效抑制中部流动的恶化。