淹没射流湍流场的 TR-PIV 测量及流场结构演变的 POB 分析

利用平面激光诱导荧光流动显示技术(LIF)和二维高速粒子图像测速技术(TR-PIV)对淹没射流和自由面相互作用湍流场进行了细致的测量,并利用本征正交分解方法(POD)对测得的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构并分析其与自由面相互作用特点。射流出口雷诺数 Re =5600,淹没深度 H/D =4。LIF 实验结果表明:自由液面的存在使得射流在向下游扩散发展中存在向上运动的趋势。时均流场也表明射流上半部分扩散速率更快,在相互作用区域,最大速度位置逐渐向自由液面靠近,类似自由射流的流向湍流度双峰值分布形式随流向距离增大而逐渐消失。POD 分解得到的空间模态表明:射流中有序的相干结构在上游逐渐发展,随后迅速向上发展并与自由液面发生相互作用,在下游,由于自由液面的限制,大尺度结构又开始向下发展。     

POD降阶算法中对基模态表达的改进

由一系列已知的相近流场解重新组合成一组正交分解(POD)的基模态。利用这些模态的线性组合构造绕一任意翼型的流场,使计算的未知量数目仅为所取相近解流场个数,而传统方法的未知量数目为网格单元数的4倍,因此极大地减少了未知量的数目,将其用于翼型优化,计算量会显著减少。给定的一系列相近流场解,是通过计算快照得到的,这些快照是形成正交模态的根本,直接影响近似计算的准确程度。本文提出了一种新的扰动方法,即通过扰动翼型的关键控制点反求翼型函数得到快照。通过几个已知的翼型解对子空间的投影比较可以看出,该方法的空间表达能力优于常用的加局部凸起的H icks-H enne函数的方法,而且近似计算的准确程度也更好。最后,探讨了正交分解的必要性,阐明利用POD降阶模型方法计算流场可以迅速收敛的内在原因。     

迎角对翼型边界层影响的实验研究

为深入了解迎角对翼型边界层的影响,开展了SD7003翼型的TR–PIV实验研究。对比了迎角为4°、6°、8°工况下翼型吸力面的平均速度、雷诺切应力等统计量的分布,并对实验数据进行了本征正交分解（POD）模态分析,详细分析了不同工况下各阶模态中的流动结构及其频谱特征。研究发现,随着迎角增大,分离泡位置向翼型前缘移动,分离泡厚度增大;分离泡内部和再附点附近存在较强的剪切运动;再附点附近有交替出现的正、反方向涡结构,而后涡结构随边界层发展不断变化;POD分解的各阶模态的能量大小与其所包含结构的尺度和模态频率有关;随着迎角增大,流场中流动结构尺度增大,流场能量的频域分布由高频向低频移动。     

阀体后90°圆形弯管内部流场PIV测量及POD分析

利用激光粒子图像测速技术对阀体后90°圆截面弯管的内部流场进行测量,获取了弯管流场在不同来流流速及观测截面上的高分辨率瞬态速度场数据.分析了图像相关计算所获得的瞬态及时均速度场,对流场进行本征正交分解,并进一步分析重构脉动场中的涡结构特性.结果表明:流体流经蝶阀在弯管中形成卡门涡街,涡结构信息包含在本征正交分解低阶模态中,脉动场的模态重构可以还原涡的流动特性.     

撞击流混合器速度信号的Hilbert-Huang变换分析

应用激光多普勒测速系统,对撞击流混合器的流场瞬时速度进行了测量.将Hilbert-Huang变换(HHT)应用于瞬时速度信号的分析,提取出各阶内禀模态函数(IMF)并通过经验模态分解(EMD)对速度信号进行滤波降噪.通过希尔伯特谱分析(HSA)确定了撞击流混合器速度信号的能量分布状况,信号能量集中于低频区,即存在于尺度较大的流体涡旋中.分析速度信号各阶内禀模态函数在不同频段的能量分布与转换,发现不同频段IMF的能量分布与流型转变之间的对应关系.通过能量特征值的提取表明,提高螺旋桨转速有助于强化系统的混合效果.最后将撞击流混合器的流场由内而外划分为中心区、涡旋区和回流区3个部分.     

旋转圆柱绕流的PIV实验研究

投弃式海流剖面仪(Expendable Current Profiler,XCP)周围流场是典型的旋转圆柱绕流.探头周围流场对探头的运动状态起决定性作用,这直接关系到探头的测量性能,因此有必要对旋转圆柱周围流场进行实验研究.实验在循环水槽中进行,通过PIV对雷诺数保持不变(Re=1000)、不同圆柱旋转速度比(α=0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和5.0)的圆柱下游尾流场进行研究.通过选取不同旋转速度比的任一时刻的瞬态流场,来分析旋转对圆柱尾流结构的影响.为了获得流场的频率信息,对所获得流场信息进行能谱分析来获取涡旋的脱落频率,并进一步使用正交模态分解对流场进行分析,给出了流场主要拟序结构及其能量与转速比的变化趋势.发现圆柱旋转改变圆柱尾流结构,使尾迹尺度变小.在旋转速度比0≤α≤2.0时,存在明显的周期性涡旋脱落,并且涡旋脱落的频率有逐渐升高的趋势;而且当转速比2.0<α≤5.0时尾迹流场的周期性减弱,涡旋脱落变得不明显,流场表现出低频、剪切层的区域特征.随着转速变大,涡旋尺度变小.在较高旋转速度比时,流场中能量被重新分布.     

风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法

利用本征正交分解(Proper orthogonal decomposition,POD)原理设计了一种针对风力机翼型动态失速的时变过程的辨识方法。首先对周期俯仰运动的风力机翼型流场的动态失速过程进行数值模拟,然后用上述方法进行了有效的辨识并从中提取了关于动态失速过程的主要模态信息。在给定的误差阈值下,分别针对浅失速和深失速的情况,将该降阶模型的辨识结果与数值计算原始结果进行了对比并对误差进行了相应的分析。结果表明,该降阶模型方法能够以明显降低的计算量精确辨识翼型的浅失速情况;对深失速的辨识会由于湍流模型的精度影响有所降低。     

航空发动机燃烧室旋流流场特性PIV分析(英文)

应用粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)研究了具有两级轴向旋流器的航空发动机燃烧室旋流流场特性(包括冷态流场和燃烧流场)。分别研究了不同主燃孔几何大小与空间排布、进口空气温度、一级轴向旋流器旋流角度以及油气比对冷热态流场的影响,分别获得了流场速度大小、脉动速度、雷诺应力以及回流区长度等参数。试验结果表明:燃烧流场的中心回流区长度要比冷态流场中心回流区短;随着进口空气温度和油气比的增加,中心回流区长度减少;同时主燃孔几何参数的变化(主燃孔大小和空间排布)对两级轴向旋流器旋流流场有很大影响。     

低旋流数旋进射流流动特性的PIV实验研究

采用粒子图像测速技术,研究了当雷诺数Re=4.5×104时低旋流数旋进射流的流动特性。针对3种不同旋流数（S=0、0.26和0.41）,对比分析了时均流向速度场、流向速度脉动强度场以及时均涡量场的变化规律。实验测量结果表明:随着旋流数的增加,流向速度大小及其脉动强度沿流向衰减加剧,而射流中心线上的速度脉动强度增强;因腔体壁面空间限制而产生的回流区向上游移动且尺度变小;外剪切层中旋涡的流向发展急剧衰减而内剪切层内的旋涡几乎不受影响。此外,结合速度谱和典型时刻的瞬态流场特征可知,旋流数增大后,旋进频率增大,而旋进现象发生的起始位置向上游移动,使得旋进偏转角度增大。     

主燃孔对双旋流燃烧室流场的影响

通过试验和数值模拟的方法研究了主燃孔几何参数与布局对双旋流燃烧室内三维冷热态流场的影响.用粒子图像测速仪(PIV)对不同工况的冷热态流场进行测量,用多点温度耙对燃烧室出口温度分布进行测量,用多点取样管和气体分析仪对燃烧室出口气体成分进行分析.用商业软件Fluent对不同主燃孔时的燃烧室冷热态流场进行数值模拟.计算结果与试验数据相当吻合,表明在相同的进口条件下,燃烧室主燃孔的几何参数和布局变化对燃烧室的冷热态流场、出口温度及燃气成分分布有较大的影响.     

基于时间解析PIV的串列水力转轮尾流特性研究

为研究串列水力转轮组合的下游转轮对上游转轮尾流的影响,采用时间解析PIV系统对2个垂直轴Bach水力转轮之间的流动进行测量。在不同来流速度条件下,研究下游转轮的安放角对上游水力转轮尾流的影响,对比分析受到水力转轮边界影响的尾流特征。研究结果表明:来流速度增大时,速度恢复区向上游转轮延伸,当下游转轮安放角小于108°时,该区域的速度随安放角增大而减小;当下游转轮安放角大于108°时,速度变化趋势相反。尾流中的旋涡涡心位置随安放角不同上下偏移,在部分安放角下,旋涡被拉伸变得扁平,流线也因此呈现出与无下游转轮时不同的非水平偏转状态;高能涡量区域在部分安放角和来流速度增大时,逐渐向下游和尾流中心发展,流场中离散的小尺度涡不断增加;尾流中的大尺度涡结构包含于前3阶的POD模态中,而高阶POD模态主要表征小尺度的流动结构。     

Effect of Swirl Preset Vorticity on Combustion Performance of Lobe Nozzle Combustor Chamber

To improve the combustor performance of multi-point injection combustion,lobe nozzle design was applied to the aero-engine model combustor,by presetting the swirl through a certain twisted angle of the edge of the lobe outlet. Numerical simulation in combination with modelling test is used in this paper. The effects of swirl vorticity presetting onto the vortex structure, the characteristics of combustion temperature field, the combustor exit temperature field quality,the combustion efficiency,and the NOx emissions of multi-point injection combustion chamber are investigated. Compared with the conventional vortex flow at the lobe outlet edge,the results of numerical simulation and water modelling test of the swirl vorticity presetting show that the swirl presetting can efficiently enhance the range and intensity of the lobe-induced vorticities. Besides,it can improve the uniformity of the combustion temperature in the combustor chamber,together with the reduced emissions of the pollutant NOx.Moreover,compared with the conventional lobe nozzle chamber,the swirl vortex presetting can effectively improve its combustion performance. The flow simulation test results demonstrate the fluid vortex structure in the combustion chamber and validate the simulation results.     

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场,研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用,而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系,发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象,广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关,因此有必要深入研究梢涡流场,揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术,在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象,未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差,因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响;在水翼脱落剪切层的作用下,涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称,且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域;梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部,且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究,发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性.实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构.叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散.叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定.与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象.叶片出口近尾缘处30%以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加.     

柔性锯齿形尾缘流动分离控制实验的多尺度相干结构研究

本文采用柔性锯齿形尾缘进行了流动分离控制风洞实验。利用高频响热线风速仪测量了翼型尾流场,结合瞬时强度因子迭代算法,在时域、频域提取出多尺度湍流相干结构,分析了弹性振动和柔性形变对扰动传播不稳定性的影响。实验结果表明:尾流中分离区厚度减小5%弦长,柔性锯齿形尾缘跟随来流自适应变形摆动,吸收了约20%的尾缘剪切层中的湍动能,产生的大尺度扰流涡持续传递至前缘剪切层,降低了很大范围低频带宽内的功率谱密度,具有良好的降噪效果;脱落涡中相干结构的振幅和发生频率显著削弱,对尾流分离区边界移动、大型涡包破碎和抑制传播的作用非常明显。     

微型飞行器低雷诺数流场显示试验研究

在南航非定常风洞内,对一盘状微型飞行器的气动特性进行了测力和流场显示实验,给出了不同迎角下微型飞行器的空间流场显示结果.研究表明:随着迎角的增加,在机翼上表面开始形成前缘分离涡,并且前缘涡的尺度和强度不断增加.迎角继续增大,前缘涡首先在后缘开始破裂,并不断前移,最终导致微型飞行器的失速.模型上前缘分离涡的形成、发展和破裂是导致盘状微型飞行器气动力特性产生变化的根本原因.     

涡旋式等离子体反应器流场的试验研究

本文给出了用激光多普勒测速仪（ＬＤＡ）测量涡旋式电弧等离子体化学反应器流场的实验研究结果。实验表明：这类等离子体反应器中，旋流切向速度分量和轴向速度分量径向分布划分成近轴、过渡和近壁区。喷入电弧等离子体射流对等离子体反应器流场的影响区域是近轴区，对过渡区和近壁区没有影响。提高旋流强度，轴向截面上旋流的两个速度分量径向分布分别呈相似的分布形式，等离子体反应器呈层流流动状态。