A learning-based approach for solving shear stress vector distribution from shear-sensitive liquid crystal coating images

A learning-based approach for solving wall shear stresses from Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating(SSLCC) color images is presented in this paper. The approach is able to learn and establish the mapping relationship between the SSLCC color-change responses in different observation directions and the shear stress vectors, and then uses the mapping relationship to solve wall shear stress vectors from SSLCC color images. Experimental results show that the proposed approach can solve wall shear s...     

扩压叶栅剪敏液晶试验与图像处理

基于剪敏液晶涂层(SSLCC)材料的光学特性,发展了适合于内流场狭小空间环境下的SSLCC边界层流动显示技术:设计并加工了微型摄像头-发光二极管(LED)组合式图像采集设备解决拍摄光路问题;基于二维SSLCC图像与三维模型的空间映射关系,建立了真实模型的三维重构方法;通过SSLCC图像光谱Hue色相值转化,实现了液晶图像信息的定量分析。以西北工业大学高亚声速平面叶栅风洞为平台,开展了某扩压叶栅吸力面边界层流态的剪敏液晶流动显示试验。结果表明:所发展的剪敏液晶显示技术可进行叶栅内流场边界层的流态测量;所建立的图像处理方法可为边界层流动特征的辨识及其特征位置确定提供技术支撑;在来流马赫数为0.12、攻角为0°的条件下,叶片吸力面边界层沿流向依次经历了层流边界层分离、再附着及转捩为湍流状态的过程,且边界层的发展受叶栅角区分离流动影响,造成其前缘分离区减小,再附着点和边界层转捩位置向前缘移动。     

合成射流微扰动对后台阶湍流分离流动控制的实验研究

后台阶流动是流体力学中一个经典的研究课题,代表着工程中一类横截面突扩的钝体绕流问题。后台阶流动分离会导致一些不利的影响,如高速旋涡的形成、流动损失、压力脉动以及气动噪声等。基于阵列式合成射流激励器对二维矩形后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,综合应用表面测压、七孔探针、粒子图像测速仪(PIV)和热线等多种实验手段,获取了后台阶的表面压力分布和非定常流场结构。结果表明:利用在台阶前缘形成的合成射流微扰动可使无量纲再附点长度降低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。热线结果表明,频率是后台阶分离流动控制的重要参数,当频率为260 Hz,扰动频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32时,合成射流控制可使位于1/2倍频的剪切层能量增强,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

低雷诺数下横流-射流中剪切涡的试验研究

为深入分析横流-射流(JICF)的流动特性及其中的复杂涡系结构,从流动机理上研究燃机叶片气膜冷却,揭示高温燃气流与冷却流的掺混机理,本文对横向流中单孔射流所形成的剪切涡开展了试验研究。主要研究了速度比、雷诺数及射流角对JICF所形成剪切涡的影响。结果表明:速度比、雷诺数以及射流角会改变主流与射流之间的掺混程度,从而改变射流轨迹的曲率、高度及垂向渗透能力,最终改变剪切涡的特性;迎风涡与背风涡分别是由射流边界层涡与主流边界层涡形成的,当主流边界层涡强度大于射流边界层涡时,背风涡是流场的主导结构,反之,迎风涡将成为流场的主要涡系结构。     

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.      

超声速欠膨胀冲击射流流场振荡的数值模拟

为了研究超声速欠膨胀冲击射流自激振荡与喷嘴进出口压比的关系,对轴对称冲击射流进行了数值模拟,计算中采用了雷诺应力模型。结果发现:当喷嘴压比较小时,流场振荡随喷嘴压比的增大而加剧。当压比处于某一范围内时,流场振幅最大,振荡最剧烈。随着压比的继续增大,流场振幅又减小。流场振幅随喷嘴压比的变化与冲击单音强度随喷嘴进出口压比的变化相似,说明流场振荡与冲击单音有内在的关联。     

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。     

钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

利用流线法决定绕扁长椭球流动分离的位置

本文按照流线法把所测量的扁长椭球的压力分布用于决定涡层型三维流动分离,按边界层边缘处流线会聚的位置近似地决定分离线的位置。作为算例,计算了扁长椭球体在α=30°状态下的绕流,并在水洞中作了流场显示,数值结果和实验结果的对比表明,二者十分一致。分析表明,涡层型分离不仅与壁面极限流线的收敛有关,而且还与边界层边缘处流线会聚有关,前者的出现并不是引起涡层型流动分离的充要条件。     

分开式排气系统气动性能与喷流特性数值研究

为分析大涵道比涡扇发动机分开式排气系统的气动性能、喷流特性以及挂架支板对排气系统性能的影响,采用数值模拟方法对2种结构形式的分开式排气系统流场进行了2维和3维计算研究。结果表明:挂架支板主要影响外涵流动,对外涵流量、总压损失等系数的影响随外涵落压比非线性变化,外涵进入临界状态后挂架支板造成的总压损失趋于不变,挂架支板对内涵流动的影响几乎不随外涵落压比而变化;外涵喷流主要通过内涵出口处剪切层影响内涵的流动,且其影响方式与喷管结构相关;喷管内涵气动性能不仅受外涵喷流特性影响,也与自身工况相关。     

考虑来流边界层的超燃燃烧室喷射特性

针对超燃燃烧室中的燃料掺混问题,采用基于雷诺平均Navier-Stokes的数值模拟方法分析了考虑来流边界层条件下的燃料横向射流流场特征及其掺混特性.研究发现:对于确定的来流边界层,燃料喷射存在一个临界动压比.当动压比低于该临界动压比时,增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率.而当动压比大于该临界动压比时,来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响.对于所研究的流动状态,该临界动压比约为0.900.在相同动压比下,所选厚来流边界层条件下的总压恢复系数仅约为薄来流边界层的0.93倍.其中,来流边界层内的摩擦损失是造成超燃燃烧室低总压恢复的主要因素,而改变来流边界层厚度对喷流及下游流场总压损失造成的影响相对较小.     

基于Hartmann谐振腔的雾化喷嘴声场流场特性

采用试验与数值模拟相结合的方法研究了谐振腔孔径、谐振腔深度、谐振腔与射流喷孔距离以及喷嘴压比（NPR）对基于Hartmann谐振腔（HRT）的气动式超声波雾化喷嘴外部流场及声场的影响.结果表明:当喷嘴压比大于2时,喷嘴压比增大对声场频率影响较小;当喷嘴压比小于2时,谐振腔依然能够产生高频声场,但其频率较高喷嘴压比时产生的小.当谐振腔深度小于1倍射流喷孔孔径时,此时高频声场主要由射流的不稳定性引发,声场频率与谐振腔深度经验关系式此时并不适用;当谐振腔孔径大于1.75倍射流喷孔孔径时,声场频率大小有降低趋势.谐振腔与射流喷孔距离与声场频率关系紧密,当谐振腔放置在自由射流压力增大区域时,才可获得理想高频声场.      

基于数值模拟的流场附面层边缘识别方法

附面层边缘通常取在速度达到主流速度0.99倍的位置,而复杂流场中主流流动往往并不均匀,给附面层边缘的准确识别造成了困难。为解决此问题,提出了用"参考主流"代替实际主流识别附面层边缘的方法:通过零剪切力滑移壁面边界条件下数值模拟得到不受附面层干扰的参考主流,在根据附面层定义确定附面层边缘时以该参考主流中的速度代替实际的主流速度。通过斜楔压缩和弯曲压缩两个超声速压缩流场对该识别方法进行了验证,所得到的斜楔压缩出口截面上附面层厚度与采用实际主流速度判断得到的厚度相对误差仅4.1%。根据该方法的识别结果对弯曲压缩型面设计进行附面层修正后,弯曲激波高度与无黏设计值之间的误差从修正前的2.0%降低至0.3%,压缩面末端压力的相对误差从修正前的6.6%降低至2.3%。该方法避免了指定主流速度的主观性,识别结果较为准确。     

凹腔前缘角对超声速燃烧室性能的影响

针对带有不同前缘角的凹腔内流动和燃烧过程,分别在冷态和燃烧条件下探讨了前缘角对凹腔内流动损失及阻力特性的影响.研究表明:在壁面垂直喷射的喷口上游和凹腔内部均会形成低速、高温回流区,有利于点火及火焰稳定,燃烧反压通过边界层的亚声速区域上传,形成激波/边界层干扰结构.减小前缘角,可使剪切层分离位置提前,更偏向凹腔内部,导致凹腔后壁面再附激波增强,进而增大了总压损失,降低了总压恢复系数;亦可导致凹腔前、后壁面压差阻力增大,阻力系数上升.进一步认识了凹腔内部流场及稳焰增混机理,进而为优化凹腔结构设计提供依据.      

喷流-外流干扰流场数值模拟

 研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠 搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。     

Application of shear-sensitive liquid crystal coating to visualization of transition and reattachment in compressor cascade

The present paper aims at introducing Shear-Sensitive Liquid Crystal Coating (SSLCC) technology into compressor cascade measurement for the first time and serves as a basis for better understanding of the influence from the boundary layers. Optical path layout, which is the most significant difficulty in internal flow field measurement, will be solved in this paper by self-designed image acquisition device. Massive experiments with different Mach number and incidence are conducted at a continuous subsonic cascade wind tunnel to capture the boundary layer phenomenon. Image processing methods, such as Three-Dimensional (3-D) reconstruction and Hue conversion, are used to improve the accuracy for transition position detection. The analysis of the color-images indicates that complex flow phenomena including transition, flow separation, and reattachment are captured successfully, and the effect of Mach number and incidence on the boundary layer flow is also discussed. The results show that: the Mach number has a significant effect on transition position; the incidence has little effect on transition position, but it has a great impact on the transition distance and leading-edge separation; influenced by the end-walls, the reattachment occurs in advance under positive angle of attack conditions.     

High Fidelity Simulation of Turbulent Jet and Identification of Acoustic Sources

A turbulent round jet at the Reynolds number of 7,290 is simulated by direct numerical simulation to study jet noise source and its propagation. A large domain of 60 diameters in the axial direction, 30 diameters in the radial direction, and full 360 degrees is chosen to minimize the effect of boundary conditions. The spatial statistics of the simulated flow and the peak amplitude of acoustic radiation at 45 degree angle agree well with existing literature, confirming the quality of the data. Motivated by Ffowcs Williams and Hawkings equation, acoustic source terms for the far field sound propagation were identified both in the time and the frequency domains. The spectra at three respective locations of the potential core, the shear layer, and the ambient indicate that the fluctuation magnitudes are highest in the shear layer, followed by the potential core and the ambient. The turbulent characteristics are isotropic in the potential core and the shear layer, and the ambient exhibits an intermittent behavior.     

低雷诺数下吹吸气射流对NACA0012翼型气动性能的影响

基于Favre过滤的大涡模拟方法,对雷诺数Re=10^4,迎角α=6°下的NACA0012翼型上表面吹吸气射流进行了数值模拟,从翼型周围流场流线图、速度场云图、上下表面压力系数曲线以及上表面边界层位移厚度等多角度地分析了射流位置以及速度变化对翼型气动性能的影响。结果表明:射流位置对翼型气动性能影响较大,且吸气射流要明显优于吹气射流。对于吸气射流,前缘吸气要明显优于中后缘吸气,可有效增升减阻,并减小翼型尾部流动分离,抑制翼型气动参数扰动,其最佳吸气位置随着速度的增大逐渐向下游移动;而吹气射流对翼型气动系数的作用效果较差,但中后缘的吹气射流可减小飞行过程中的气动扰动量,且吹气越大,效果越明显。     

三面压缩高超进气道附面层抽吸研究

针对超燃冲压发动机中,三面压缩进气道激波/附面层干扰诱发的隔离段流向涡现象,探索了不同的附面层抽吸方式对隔离段流向涡的影响.结合附面层油流图谱及数值模拟考察了相应附面层流态,并分析了不同抽吸工况下的抽吸流量及其对出口截面总压恢复与流向涡的影响.发现隔离段流向涡气流主要源于侧壁附面层分离,相比于再附区抽吸,分离区抽吸大幅度抑制了侧壁附面层的分离流动,从源头上控制了隔离段流向涡的形成,大幅削弱了流向涡尺度,提高了进气道总压恢复.同时,抽吸面积越大,流动品质的改善作用就越明显,但是也伴随着流量损失.      

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.