鱼游动涡结构PIV实验研究

鱼类逃逸和巡游已逐渐成为鱼类仿生推进水动力学领域的研究热点，其研究结果为水下航行器推进技术提供了很好的理论基础和指导意义。利用平面PIV技术测量了斑马鱼在水中游动时的尾迹流场，分析了不同游动状态下的鱼尾迹涡结构的变化规律；同时利用Tomo-PIV技术测量了曼龙鱼游尾迹三维流场，获得了涡环链结构。结果表明:不同游动状态下，鱼游尾迹表现出不同的流动结构和尾迹模式，对其进行研究有利于进一步揭示鱼游动的水动力学机理。     

不同相位壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层Blasius解为基本流,利用直接数值模拟的方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中不同初始相位壁面局部微振动诱导大涡结构的过程。计算结果表明:壁面扰动初始相位为0或π,大涡结构的初始扰动速度场完全相反,初始相位为0时,大涡结构演化时无论其扰动速度幅值、高低速条纹结构,流向涡量均随时间的增加而增长,壁面平均切应力明显大于平板边界层流动,近壁平均速度剖面变得饱满;初始相位为π时,诱导形成的大涡结构较弱。壁面局部微振动可诱导边界层内形成大涡结构,大涡结构演化特性与局部微振动初始相位密切相关。     

利用激光片光技术进行双三角翼剖面流动显示研究

进行双三角翼翼面流动显示研究的目的是为了揭示前、后翼脱体涡的干扰机理和详细结构 ,进而达到控制表面涡分离的目的 ,并为计算流体力学建立数学模型提供依据。介绍了采用激光片光技术在风洞中进行双三角翼剖面流动显示研究的方法和主要结果。研究表明 ,在较大攻角下 ,由于后翼涡的强度远远超过前翼涡的强度 ,后翼涡对前翼涡的诱导作用比前翼涡对后翼涡的诱导作用强 ,最终两涡将合并在一起 ,成为单一的旋涡。试验给出了很好的涡结构瞬态流动显示图片 ,两对涡的干扰合并明显可见 ,这对分析双三角翼涡的合并和破碎机理以及建立计算模型均有重要意义。     

基于大涡模拟的NACA0012翼型流动分离研究

本文针对翼型流动分离问题，利用求解RANS方程和大涡模拟数值计算方法，通过常用的三种湍流模型的对比：k-epsilon、SST k-omega和BSL Reynolds Stress，最终选取SSTk-omega湍流模型对NACA0012翼型进行定常流动和非定常流动数值计算，得到翼型的升力系数特性曲线和翼型上下翼面的速度和压力云图。研究结果表明，大涡模拟能够捕捉流动分离区域中主要涡结构，在一个周期的不同时间步能够观测到分离涡从附着、发展、脱落到再附着的完整演化过程，对翼型流动控制的研究具有一定的参考，为飞行器的增升减阻设计提供了理论支持。     

压气机叶栅端壁叶尖涡系结构非定常特性研究

为了研究压气机带间隙平面叶栅近失速工况下叶尖涡系结构特点以及其非定常流动特性,本文采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对典型叶栅进行数值计算并结合Q准则分析叶尖涡系结构特点,探索流动规律及叶尖涡系耦合过程。研究表明:与额定工况相比,近失速工况叶尖流场更为复杂,并通过大涡模拟观察到了次泄漏涡的存在;额定工况下泄漏涡不发生破碎,主次泄漏涡在近失速条件下均发生破碎,破碎后形成的低能流体与尾缘分离涡是造成叶尖堵塞及损失的主要原因;次泄漏涡在不同时刻生成点位置及与弦长夹角周期性变化,次泄漏涡的摆动与叶尖角区分离涡团的周期性脱落是叶尖非定常性的主要原因。     

翼身厚度对小展弦比飞翼布局流动特性的影响

跨音速条件下,激波将导致大后掠飞翼布局出现激波/边界层干扰、激波/前缘涡干扰等复杂流动现象,对其流动特性、气动性能产生严重影响。本文采用数值模拟方法研究了跨音速时小展弦比飞翼布局流动特性随迎角的演化,并分析了翼身厚度对前缘涡流动的影响。计算结果表明:在无前缘涡区,翼身厚度在机头处引起侧洗作用,在尾部出现激波/边界层干扰现象,导致流动分离;在前缘涡发展区,翼身厚度的侧洗作用使飞翼模型前缘涡形成较晚,影响区域减小,但使其前缘涡发展较快,强度增大,在背风侧诱导的吸力增加,从而使前缘涡涡升力基本不变;同时,侧洗作用导致翼身背风侧激波位置前移,诱导前缘涡破裂,使涡破裂迎角大幅减小。本文研究为大后掠飞翼布局气动布局设计和流动机理分析提供了基础。     

弹性与后掠角对三角翼绕流结构的影响

为了研究低雷诺数下微小型飞行器布局的流动机理,在水槽中对展长/根弦长之比为0.5的一系列变弹性和后掠角机翼的绕流结构进行了氢气泡流动显示实验.结果表明,在低雷诺数条件下,流动结构变化规律如下:随着后掠角增大,弹性翼绕流遵循"Ω涡一对前缘涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡、双涡与三涡一对前缘涡与双涡一对前缘涡"的变化规律,刚性翼绕流的涡结构变化规律与弹性翼相似,但不存在三涡结构.     

可压缩平板边界层转捩的大涡模拟

入口利用层流速度型叠加二维和三维Tollmien-Schliting(T-S)波,应用动态亚格子模型、预处理技术以及高精度算法,采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)数值计算方法,对可压缩平板边界层空间模式的转捩机理及其拟序结构进行了研究。计算结果展示了T-S波经历线性、非线性发展阶段破碎形成发卡涡,最终演化成具有4个涡环的涡链结构的整个过程,并揭示了发卡涡涡腿并非完整对称及低速条带在涡环产生的位置不连续的现象,探讨了主流向涡与壁面相互作用诱导生成次流向涡的机理。     

驻涡燃烧室驻涡区三维冷态流动特性数值研究

驻涡燃烧室驻涡区内的流动是影响驻涡燃烧室性能的一个关键因素。首先将数值模拟结果进行与试验测量结果进行对比,确定了最佳的湍流模型,并在此基础上通过数值方法深入研究了驻涡燃烧室驻涡区冷态流动特性。结果发现:通过在驻涡区前壁进气缝中设置一定的矩形挡片可以在驻涡区一定范围内诱发以反向旋转的涡对形式存在的流向涡。对比研究了挡片阻塞比BR(挡片面积与前壁开缝面积之比)分别为0,0.2,0.4时驻涡区内的流动结构,分析了流向涡产生的原因。定量结果表明,当BR=0.2,0.4时,(1)流向涡涡量大小比BR=0时提高了将近100%,BR=0.2对应的流向涡涡量比BR=0.4对应的流向涡涡量略大;(2)在流向涡混合层内,流向涡涡量沿轴向呈先增大后减小的趋势;(3)燃烧室总压损失约比BR=0时大1%。     

用于BVI噪声试验的新型涡发生器设计与分析

针对直升机特有的旋翼桨/涡干扰(Blade vortex interaction,BVI)噪声计算精度低且试验数据缺乏问题,也为了开展旋翼气动噪声特性分离方法的验证试验研究,本文设计了一种能够用于BVI噪声试验的新型多段翼型组合式涡发生器。首先通过CATIA软件建立涡发生器出口端翼型段在不同迎角下的试验模型,再使用FLUENT软件建立涡发生器的流场仿真计算模型,比较分析了不同翼型段迎角下的涡流流场。随后用粒子图像测速法(Particle image velocimetry,PIV)技术系统测量了不同翼型段迎角、距离涡发生器出口端的长度及流速等参数变化下的涡流流场,对不同试验状态下的涡核、涡强等参数进行了对比分析。针对涡量偏弱的缺点,对传统单级涡发生器进行了改进,设计研发了双级涡发生段。试验证明其能产生更强且稳定的涡,为BVI噪声试验提供了模拟的桨尖涡,试验结果表明了涡发生器的有效性。     

悬停状态旋翼非定常尾迹测量

用热线风速仪测量悬停状态旋翼尾迹的轴向、切向速度分量的时均值和瞬时值沿展向的分布及桨尖涡在轴剖面里的运动轨迹，得到了悬停状态旋翼尾迹的几何边值、桨尖涡在运动过程中的耗散和不稳定等非定常特性，研究了旋翼桨距、桨叶片数对悬停状态旋翼尾迹和桨尖涡运动轨迹的影响。结果表明：悬停状态旋翼尾迹轴向速度在其展向的最大值可达或超过动量理论值的两倍；而桨尖涡区域的瞬态值则高达动量理论值的１０倍。旋翼桨距、桨叶片数的     

并列双圆柱尾流切向喷射控制研究

采用PIV实验研究雷诺数为4000、中心距比为1.1的绕并列双圆柱流动施加切向喷射的尾涡控制特性。发现尾涡流场呈现双稳态偏流流型,偏向间隙流的存在将导致圆柱附近时均尾流场沿圆柱中心轴线不对称。分析圆柱尾流涡旋的分布情况和升力频谱,发现可以根据喷射角度θ及射流动量系数C_μ的大小将切向喷射尾流的控制效果分为无效区（θ≤20°或C_μ < 0.135）、非完全控制区（θ > 20°且C_μ > 0.135）和完全控制区（θ > 35°且C_μ > 0.304）。在非完全控制区,切向喷射诱导的射流势流区将并列双圆柱宽尾流抑制为窄尾流,涡系分布范围控制收缩在近尾流的一个三角形区域内。随着喷射角的增大或是射流动量系数的增大,圆柱所受升力的频谱峰值逐渐降低。在完全控制区,并列双圆柱尾流完全被消除,从时均场上看已无明显的涡旋存在,此时控制效果最优。     

湍流边界层近壁区马蹄涡拟序结构的数值模拟与分析

采用大涡模拟对低雷诺数槽道湍流进行了数值模拟,进口边界条件采用了给定扰动波方法,经过短过渡段得到完全发展湍流.计算中采用了动态亚格子模型和预处理技术,进口采用的动量厚度雷诺数是670.大涡模拟对计算得到的平均速度剖面以及脉动分量与DNS解进行对比,验证了计算结果的可靠性.计算结果显示了湍流场中马蹄涡的形成及演化过程,其中包括形成单腿马蹄涡和形成对称涡腿的马蹄涡,同时发现流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象,并在此基础上分析了湍流边界层近壁区马蹄涡结构的演化.     

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内,数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响,导致涡量耗散过快,不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题,文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法,获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法,对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场,从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理,比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响,以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明,开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度,但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

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。     

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...     

垂直于流向的截面中2D-PIV测量误差分析

常规二维粒子图像测速技术(2D-PIV)作为重要的流场测试手段,被越来越多地应用到各种类型的流场测量中。然而采用该技术对垂直于流向的截面进行测量时会产生明显误差,该误差是由2D-PIV 原理中几何透视成像关系引起。本文分析了测量截面内有法向速度分量时透视误差产生原因及影响因素,建立了2D-PIV 测量平面内的误差模型。通过实验测试验证了误差模型的正确性,确定了影响测量误差的关键参数为测量平面的法向速度和视场的离轴角。计算结果显示,最大透视误差可达法向速度的9.3%。根据误差模型进行分析,透视误差对流向涡类流场测量的影响主要为3个方面:改变流场速度量值大小、改变旋涡形状、改变旋涡的位置。最后,提出了一些减小误差的措施,为2D-PIV应用于垂直流向截面的测量提供了改进方法。     

应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

电磁控制涡激振荡的实验研究

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变流体边界层及尾涡结构。本文以减振为目标,对电磁力控制涡激振荡进行了实验研究。实验在转动水槽中进行,通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中。吊杆上的应变片用于测试圆柱的升力,注入适当的染料用来显示流场。结果表明:对称电磁力作用下,脱体涡被抑制,从而使升力的振荡受到有效抑制,进而抑制圆柱的振动,双排方向相反的涡变为单排正负交错的涡。当电磁力足够大时,圆柱的振荡被完全消除,流场达到定常。