基于间断有限元方法的可压缩混合层中大尺度结构和压缩性效应的数值模拟研究

基于间断有限元方法(DGM),对二维和三维、对流马赫数Mc=0.4和0.8的空间发展的可压缩混合层进行了数值模拟,并对混合层中的大尺度结构及压缩性效应进行了研究.重点观察了大尺度结构随压缩性变化的全景图像,文中采用λ2方法定义三维流动中的大尺度结构,流场中能够观察到大尺度的涡结构森林.当前数值模拟表明混合层的湍动能和雷诺应力随对流马赫数的增加而降低,这对RANS和LES模型的建立具有一定的参考意义.本研究也表明,间断有限元方法能够成功地应用于可压缩湍流的数值模拟.     

可压缩混合层中的大尺度结构及其作用初探

利用粒子示踪图像流动显示技术和粒子图像测速技术(PIV技术)研究了对流马赫数Mc=0.38时可压缩混合层发展早期出现的大尺度结构的形状和特性,并将这些混合现象与湍流脉动场结合起来研究了这些大尺度结构对流动混合效率的作用.将粒子示踪图像和湍流脉动强度场对比以后发现:混合层流动中早期出现的大尺度结构沿着顺时针方向旋转着向前移动;该结构上的流体微元具有高涡量.由于该结构旋转和高涡量产生了较大的诱导速度,加上该结构的非定常性导致在这些大尺度结构频繁出现的区域具有很高的脉动强度,从而可能带来较高的混合效率.     

受限混合层的线性稳定性

针对超声速边界层/混合层组合流动,利用可压缩线性稳定性理论研究了流动的线性失稳特性。基本流场选取了具有不同速度特征的两股来流,采用双曲正切的混合层剖面叠加可压缩边界层自相似性解剖面构造。重点考察了混合层中心与壁面距离、对流马赫数等参数对组合流动稳定性特征的影响,其中壁面采用绝热壁面。混合层中心与壁面的距离为5~15倍的边界层厚度,混合层的对流马赫数为0.6~1.2。结果表明:该组合流动中存在独特的多重不稳定模态,并相互影响;且其不稳定模态随着壁面距离及对流马赫数的变化呈现出不同的主导行为。      

非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维 Blasius 相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数 Mc =0.5(<1)和 Mc =1.2(≥1)两种情况下的扰动发声机制,结果表明：当对流马赫数 Mc <1时,流场中的发声机制主要由大尺度结构的涡条发声,且基本波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数 Mc ≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。     

可压缩混合层的涡结构演化与流质混合

为研究可压缩混合层的流动结构,采用七阶精度广义紧致格式离散对流项和用显式八阶精度的中心格式离散粘性项,数值求解了非定常三维可压缩Navier-Stokes方程。用约4亿规模的网格,直接数值模拟了对流马赫数为0.7的超声速可压缩混合层的空间发展流动,获得了自初始流动失稳直至充分发展湍流流动结构的精细演化历程,所得结果表明:大尺度涡结构的生成使得混合层的动量厚度快速增长,并主宰了由被动标量质量分数展示的可视混合厚度的量级,充分发展湍流的小尺度的结构主要使得该量级厚度内的流质混合趋于均匀,对可视厚度增长的贡献非常有限。     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

高对流Mach数三维混合层转捩特性分析及小激波结构模拟

采用空间大涡模拟方法对超/超混合、超/亚混合两类三维可压缩平面混合层转捩及其全湍流流场进行了研究,认为混合层动量厚度饱和点可作为流场转捩完成的标志.计算所得到的线性扰动波激励下流场转捩拟序结构与随机扰动下自然失稳结构以及文献结果进行了比对,其结果是一致的,表明了引入线性扰动激励来研究流场转捩结构是合理的.同时,本文还在较高对流Mach数流动下得到了三维流场动态小激波结构,其分布具有非对称特性,且形状与实验及直接数值模拟结果相似.不同条件混合层转捩计算表明:高对流Mach数下混合层转捩以Λ涡结构的形成和发展为主导机制,受扰动及对流条件的影响Λ涡结构不尽相同,某些情况下流场出现二维与三维涡结构共存现象.充分发展湍流区域,流场脉动速度分量量级相同,湍流压缩效应随着对流Mach数提高而明显增强.     

三维可压缩混合层中扰动演化的研究

为了利用被动控制增强可压缩混合层中混合效率,本文用数值模拟的方法研究了三维可压缩混合层中扰动向下游的演化.通过在入口处引入不同的不稳定T-S波,给出了扰动随空间的演化过程,及马赫数对扰动演化的影响.计算结果表明在马赫数较小时,扰动波增长很快,当马赫数增大时,扰动所形成的流向涡的强度会减弱.这一结论与流动稳定性分析结果是一致的.     

超声速模型燃烧室中气化煤油喷注研究

利用直接照相和纹影显示研究了不同预热温度的煤油喷注到静态大气和马赫数2．5的横向气流时射流结构。煤油加热系统可将0．8kg煤油加热到670K和5．5MPa压力。比较4MPa压力下290K～550K不同温度的煤油射流结构可以发现，550K煤油射流一旦流出立即完全气化，并且保持贯穿深度基本不变。结果表明：喷注汽化燃料有可能改善液体碳氢燃料超声速燃烧室的性能，因为至少省却了雾化和气化过程。     

时间模式下二维可压缩气固两相混合层流动研究

采用Euler-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流场进行了研究。气相流场采用具有空间三阶精度的WNND格式进行直接数值模拟,固相方程采用单边三点差分离散。在考虑流场对固粒作用的同时,也计及固粒对流场的反作用。在对流马赫数为0.5时,研究了颗粒相对密度、颗粒尺寸以及Stokes数等对粒子运动和流场结构的影响。     

超声速空气介质自由扩散混合流涡的演化

在不同谐波扰动促发方式下,观察二维超声速空气/空气自由扩散混合流中涡的形成及演化.考虑含空气组分扩散效应的可压缩Navier-Stokes方程,对流项采用3阶迎风紧致格式离散,输运项采用6阶对称紧致格式离散,非定常时间推进采用3阶紧致存储显式Runge-Kutta方法.在无相差情形下,获得了大尺度基频涡结构的饱和、一次对并、二次对并、三涡对并等现象.在Ma_c=0.3低对流Mach数下,基频涡较饱满,但流向尺度较小.受空气真实气体特性影响,在Ma_c=0.8高对流Mach数下未发现涡/小激波结构.      

用BGK格式对平面可压缩自由混合剪切流动的数值模拟

本文介绍了ＢＧＫ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ格式的构造与用有限体积法计算网络内宏观量的方法。文中还介绍了可压缩平面混合剪切层计算域在不同出口马赫数下的边界条件。然后将上述方法应用于四种不同情况的可压缩平面混合剪切层的数值模拟。还详细介绍了计算结果,并与其他方法所得的的结果以及实验数据进行比较。表明本文的结果较好,方法是有效的。     

基于PSE的单股剪切混合流稳定性分析

将抛物化稳定性方程(PSE)方法应用到可压缩单股剪切混合流的稳定性研究中.采用并发展了适用于自由剪切流的高精度数值方法,包括六阶紧致格式、坐标变换以及渐近边界条件等,对PSE进行有效求解.通过求解相似边界层方程得到更准确的剪切层内基本流;求解线性稳定性理论(LST)控制方程得到扰动的初始条件,并通过流向空间推进方法对扰...     

激波冲击下Air/SF6斜界面不稳定性实验研究

激波在不同密度介质上的交互作用在可压缩湍流上具有重要的基础价值。激波在界面上的作用会引起Richtmyer-Meshkov不稳定性。激波不正规折射时,流场存在更多复杂的涡。研究马赫数为1.23、1.41的激波在初始倾角β=60°的Air/SF6界面上非正规折射的情况。入射激波的切向冲击和法向冲击的相互作用,在界面处产生涡,折射波在壁面发生马赫反射。利用阴影显示技术,给出了界面演化和混合的过程。     

粗糙壁热交换实验研究

 本文介绍了来流马赫数5的条件下,典型球锥模型的粗糙壁热交换实验结果。模型头部半径R为27.4毫米,底部直径D为60毫米,对五个不同粗糙度的模型进行了实验。模型表面粗糙颗粒直径d分别为0、0.3、0.5、0.7、0.9毫米。风洞前室总压P_t为10～45公斤/厘米。,相应的来流雷诺数R_eD为（O.8～3.6）×10⁶。 实验结果表明:光滑壁模型表面是层流加热,驻点热流与层流理论计算值较一致。粗糙度的影响,在低总压条件下（10公斤/厘米）主要在于促使边界层的转捩和发展。随着风洞总压的提高,物面静压和局部雷诺数的相应增大,粗糙度对热流的影响才明显增强,而严重的区域在端头。在实验最大粗糙度和最大总压条件下（d=O.9毫米、p_t=45公斤/厘米。）,除驻点值外,热流与光滑壁层流驻点值相比(q_i/q_so)的峰值在音点区域且接近4,而在驻点,此模型有别于其它模型,较为特殊,比热流最大值接近6,看来这可能与驻点局部外形变化有关。