湍流参数对复杂形状涡轮盘腔流场的数值研究

以罗罗公司未来某型双轴发动机的高压涡轮旋转盘腔为计算模型，目的是要对复杂的内部旋转空腔流场有一个详细的了解，通过CFD(FLUENT6．0．12)的研究为即将进行的放大比例的旋转涡轮盘腔试验提供指导。计算中采用了Spalart-Allmaras湍流模型，结果表明湍流参数相同的流动，其流体结构是非常相似的；流场主要由湍流参数λT决定涡旋的大小和数量；对于湍流参数小于0．199的旋转流动，盘腔内存在着自由涡流。     

弯曲和旋转修正的湍流模型在旋转翼身组合弹箭中的应用研究

为了研究高速旋转产生的流线弯曲及壁面强湍流剪切效应,本文采用完全时间相关的非定常N-S方程,对超声速带翼旋转弹箭开展计算,研究了弯曲和旋转修正的湍流模型SARC和SSTRC对弹箭旋转气动特性和流场结构产生的影响。结果表明:对全弹侧向动态特性计算,弯曲和旋转修正的湍流模型与原始模型精度相当,侧向力和力矩旋转导数最大差异6%,4组经验估算公式计算的马格努斯力旋转导数与本文结果误差皆15%。弯曲和旋转修正的湍流模型使物面压力左右两侧同时偏大或偏小,与原始模型相比并没有加剧或削弱不对称效应,这是全弹马格努斯特性变化不大的原因。弯曲和旋转修正湍流模型预测的分离区更大,对分离流动的抑制能力减弱。     

连续尺度变换方程在稳态及非稳态流动模拟中的应用

为了提高涡粘性假设的湍流模型对于非稳态流动的求解精度,同时兼顾其对于稳态流动的求解性能,将雷诺应力项与连续变换方程(CSSE)结合而形成新的应力项,使其根据流场尺度、网格尺度及Kolmogorov尺度来自动调节当地的应力雷诺应力模化水平,避免网格因素在流场模拟中产生不利影响,改正了混合RANS/LES方法的速度型偏离对数率问题;同时,该方法并未引入显式亚格子模型(SGS),因此回避了亚格子系数确定对于流场模拟精度产生的影响,改善了湍流模型对于流动不稳定性的辨识精度。在湍流平板算例中,CSSE方法计算的边界层速度型精度与雷诺平均方法(RANS)相当,而对于圆柱尾迹的模拟则证明了CSSE方法具有混合RANS/LES方法的优点,即能够准确模拟流动的不稳定性特征。     

扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

汽车尾迹区涡流频率特性实验分析

基于模型风洞实验台架,对汽车模型外流场尾迹区流动结构进行实验研究。采用热线风速仪,对外流场尾迹区中选定测点处的三维速度场进行采样。针对速度场的采样数据,进行功率谱密度分析,探讨了汽车尾迹区破裂涡流的频率特性及其变化规律。分析结果得出：流体微团随着流场整体运动的同时,在其运动轨迹附近进行三维脉动。     

旋转坐标系中可压缩湍流的基本方程和湍流模型

本文在可压缩湍流瞬时量基本方程的基础上,用质量加权平均的概念,推导了旋转坐标系中可压湍流流动的连续方程、动量方程和能量方程。进而导出了旋转坐标系中可压湍流的应力输运方程、脉动平均动能方程和湍流耗散率输运方程。这些方程中包括了由旋转引起的 Coriolis力和离心力的作用项。这些方程是在旋转坐标系中研究平均 N-S方程求解湍流流场和研究湍流模型的基础。      

不可压缩湍流的多尺度模型

基于可变时间间隔平均方法,提出了一种不可压缩湍流多尺度模型及平均流动方程.与传统的单尺度湍流模型不同,该模型在建立的过程中,保留了湍流的多尺度特性,结合平均流动方程,可以更好地预测湍流流场特征.通过模拟平面后台阶流动和不对称平板扩压器流动,并将预测结果与标准k-ε模型的预测结果对比,初步验证了其可信性及优越性.结果表明:计算所得的平面后台阶流动的流向再附长度与台阶边压力系数比比标准k-ε模型提高精度约20%;平板扩压器流动的回流区位置误差约为7%、倾斜壁面摩擦因数误差约为5%,而标准k-ε模型未能预测出分离现象.可以看出该模型适用于典型的分离流动,在湍流流场的预测中表现优异,具有一定的工程应用价值      

高位垂直进气转静系旋转盘腔流场的实验

利用粒子图像测速技术(简称PIV)对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了实验研究.该盘腔由一个旋转盘、一个静止盘及静止的外围盘罩组成.实验结果表明:PIV粒子成像技术可以应用于旋转盘腔结构的流场测试, 在本实验的工况范围内, 大部分区域的流动已为湍流, 两盘间的流动结构明显具有Batch-elor流型的特点, 转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层, 两边界层之间有一个旋转核心, 核心区内旋流系数β比大间隙封闭系统湍流流动时旋流系数的值0.43要小.流量系数和旋转雷诺数的变化对旋流系数β的影响较小, 但转静间隙的变化对β的影响较为显著.      

旋转对固体火箭发动机燃烧室燃气流动的影响

采用RNG k-ε湍流模型,计算了某管状装药旋转固体火箭发动机在不同旋转速度情况下的燃烧室喷管统一流场,着重分析了不同转速情况下燃烧室内燃气流动的特点,得到了该发动机燃烧室内旋流切向速度沿径向分布趋势以及旋流涡核半径在不同转速情况下的变化特点,对燃烧室前封头局部区域的流场结构也进行了较为细致的分析.     

旋转状态边界层速度场及温度场特性实验

针对涡轮转子叶片内冷技术,使用TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术与热线技术同步原位测量了壁面加热条件下旋转通道内边界层速度场和温度场特性。结果显示:旋转数大于0.48时前缘面附近出现了回流现象,并从受力分析的角度给出了解释;回流区一般出现于流场下游、较大密度比、较高旋转数下,可以利用回流区的影响达到增强前缘面换热的目的;得到了旋转条件下无量纲温度型、温度脉动量和努塞尔数的变化规律,可以看出湍流边界层内部的温度场分布在旋转效应的影响下产生了强烈的不对称性,与静止条件下的标准规律相比会产生一定的偏差。     

带盖盘45°预旋系统流动特性的实验

对带盖盘45°预旋系统的预旋腔和转静腔内流动特性进行了实验研究,得到了高转速下静盘表面的静压分布、中心面（z/S=0.326）总压分布、流阻系数以及预旋孔排气系数的变化规律。结果表明:流量分配对腔内压力分布影响较小;湍流参数是腔内流动特性的主要影响参数之一;腔内流动结构主要分为转静腔的自由涡结构以及预旋腔的回流区和低压区;流阻系数随湍流参数变大而显著上升;预旋孔排气系数随着进、出口压比增加而增加。      

气固两相湍流场纳米颗粒演变特性综述

含纳米颗粒的气固两相湍流场在包括航空等众多领域中很常见,以单体、聚集体和团聚体不同形式存在的纳米颗粒在流场中经过生成、对流、扩散、凝并、破碎等过程,其数密度、尺度、尺度分散度等将发生变化。本文就以上相关研究状况进行了回顾,说明颗粒生成是气相化学反应产生的可冷凝蒸汽物质因表面冷却、绝热膨胀或混合、湍流混合或化学过程产生的过饱和所导致;导致颗粒凝并的原因包括布朗运动、湍流剪切、速度梯度、差异沉降;颗粒的凝并取决于颗粒的尺度和流场的特性,并受初始颗粒分布及湍流扩散控制;湍流场对颗粒凝并的影响除了湍流强度的因素外,还体现在由湍流脉动所引发的颗粒数密度的脉动;颗粒凝并后形成尺度较大的团聚体容易在流场剪切和其他因素作用下发生破碎;剪切破碎是导致颗粒破碎的主要因素,有效破碎系数取决于剪切率和颗粒的体积分数;颗粒的沉降取决于颗粒尺度、形状和流体性质等因素;导致颗粒沉降的因素有重力、扩散、惯性撞击、电场和热迁移等;当存在温度梯度时,热泳力对颗粒沉降也起到重要作用。本文最后提出了有待进一步研究的若干问题。     

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

展向旋转平板Couette湍流中的多态现象

展向旋转平板Couette湍流(Spanwise rotating plane Couette flow,RPCF)是旋转壁湍流的标模问题之一,在过去的几十年里,被广泛用来研究旋转对壁湍流的统计和流动结构的影响。近些年,作者及其合作者就该问题开展了一系列直接数值模拟研究工作。该研究不仅发现了旋转在低旋转数和高旋转数时对流动结构和统计的不同影响,还首次在RPCF中发现了多湍流态现象:即在相同的控制参数下,流动可以处在两种不同的湍流态上,这两种不同的湍流态的流动结构和湍流统计差别显著。还发现该多态现象可以在很大的旋转数范围里存在。进一步分析大尺度二次流在不同态的能量传输中的作用,发现在二次流较弱的流态下,二次流起的作用相对较小,能量很大一部分直接从平均流传到剩余场;而当二次流较强时,二次流起到一个能量传输纽带作用。该分析也从侧面验证了大尺度结构在多态现象中占据重要地位的猜想。     

吹吸扰动对壁湍流边界层摩擦阻力的影响

对风洞中平板湍流边界层施加局部周期性吹吸扰动,并用IFA-300热线风速仪测量了其近壁区域不同法向位置瞬时速度的时间序列信号.利用湍流边界层对数律平均速度剖面,计算湍流的壁面摩擦阻力.对平板湍流脉动速度信号用子波分析进行多尺度分解,通过条件采样以及相位平均的方法获得不同尺度下的相干结构波形和能量分布,来研究吹吸扰动对平板湍流边界层的摩擦阻力的影响.结果表明,扰动使得窄缝附近流动阻力增加,而下游区域流动阻力减小.      

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

双转子轴间滑油颗粒运动轨迹参数化模型

为研究双转子轴间滑油颗粒运动对环下润滑收油效率及轴承腔油气分离效率的影响,建立了对转轴间在边界层流场结构下基于质点运动学的滑油颗粒运动轨迹参数化模型,并采用经实验验证的计算流体力学（CFD）数值计算结果进行验证。双转子轴间的边界层流场结构的确定运用了对湍流边界层卡门三层结构速度分布进行修正的方法。结果表明：给出的参数化模型可以很好地描述双转子轴间的滑油颗粒运动规律。直径较大的颗粒径直或沿弧线迅速到达外轴,而直径较小的颗粒中存在一个在给定停留时间内使颗粒无法到达外轴的最大直径,小于这一临界直径的颗粒在有轴向气流时将被吹离轴间环腔。     

内管射流占优时轴对称共轴射流结构分析

以轴对称Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程模拟了内流占优条件下轴对称共轴喷嘴射流流场,并基于湍动能、速度和压强等流场参数的变化规律,将这类流场划分为交汇段、初始段和主流段等三个区段,给出三段流场的结构特征和流动机理,发现初始段内湍流动能大大低于单管射流,将导致共轴射流噪声低于单管射流;主流段内湍流动能则高于单管射流,将加强射流的掺混作用.将流量计算结果与试验结果进行了对比,证明使用的算法是有效的.      

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.