湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

基于实验数据同化的湍流模型常数标定:含滤网蒸汽阀门通流特性数值预测

为准确预测含滤网蒸汽调节阀通流特性,采用集合卡尔曼滤波算法,通过拉丁超立方抽样生成湍流模型常数的样本库并获得对应流场计算结果,融合部分开度下的阀门蒸汽流动压比-流量实验数据,对k-ωSST湍流模型的常数进行了重新标定.针对独立实验测量所得的流量数据,对比分析计算结果表明:重新标定的模型常数可以有效提高通流特性预测模型的...     

3 孔探针的校准及在平面叶栅试验状态控制中的应用

3孔探针作为一种有效的二元流场测量工具，多配合位移机构用于叶栅性能的扫略采集，较少参与试验状态的控制。为 评估3孔探针在平面叶栅试验状态控制中应用的准确性、稳定性，对栅前3孔探针进行了吹风校准，并通过其控制试验状态完成了 平面叶栅试验，结合试验数据详细论证分析了其校准与使用方法以及不同控制方法对试验结果的影响，获得了提高栅前3孔探针 试验状态控制稳定性的方法，并进行了试验验证。结果表明：在Ma>0.3时可通过静压拟合曲线的方法减小探针校准数据使用误 差；探针校准时应以当地大气压作为探针静压参考值；使用栅前探针控制试验状态时，机械零点影响试验状态稳定性，可采用镜像 曲线法修正以减小马赫数计算误差，进而提高控制精度。     

平面叶栅尾迹测量数据的处理方法

介绍了用于平面叶栅栅后测量的楔形探针的校准方法和应用，论述了平面叶栅栅后尾迹测量数据的处理方法，并通过试验结果说明，此法可行，精度足够。     

[γ-Reθt]转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用

为了解涡轮叶栅在跨声速条件下的流动特性和准确预测涡轮叶栅外换热情况,对γ-Reθt转捩模型,依据零压力梯度时自由流湍流度衰减实验结果,给出了一种直接估算来流粘性比的方法,以保证叶片前缘附近具有正确的自由流湍流度分布,提高换热预测准确度;同时减少试算次数。对MARK II与VKI两种叶栅通道跨声速工况下的流动换热情况使用CFX软件,选取层流模型、SST k-ω模型以及缺省粘性比和设定合理粘性比的γ-Reθt转捩模型进行了数值模拟验证,计算结果与实验数据的对比表明:转捩模型优于其他模型;而采用本文方法给定进口粘性比,能准确预测转捩位置,同时显著改善γ-Reθt转捩模型对不同来流湍流度下涡轮叶栅表面换热的预测精度;当入口湍流度较高,相比采用缺省粘性比情况,压力面上换热系数的相对误差降低30%以上,控制在7%左右。     

尾缘冷气喷射对超声涡轮叶栅性能的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了某超声速涡轮导向叶栅尾缘冷气喷射对叶栅流场结构的影响。数值模拟时,使用环形叶栅模型近似模拟平面叶栅内的流动。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;尾缘冷气喷射可减少主气流在尾缘停滞区的能量耗损,削弱叶栅尾缘处的内边缘激波,叶栅气动效率随冷气量的增加先增大后减小;尾缘冷气喷射对叶栅出口附近气流角的周向分布有影响,但对质量平均的叶栅出口气流角基本无影响。     

7孔复合探针在平面叶栅流场测量中的应用

结合流场校测和压气机叶栅试验测试方法的研究工作,应用算术平均、质量平均和掺混均匀法3种数据处理方法,获得了叶栅流场数据,并对数据进行了对比和误差分析,探索了复合探针在叶栅流场测量中的应用范围及条件.试验结果表明:复合探针在跨声速、俯仰角为-15°～15°范围内具有良好的气动特性,3种数据处理方法均可用于平面叶栅流场测量.通过流场校测和叶栅试验,验证了复合探针在流场测量中具有准确性、稳定性和可靠性的特点,其数据处理方法为叶栅流场提供了基础性的测量手段.     

叶栅三维流场的实验研究

本文通过流动显示和详细测量,研究了叶栅中的三维流动。在平面叶栅风洞中,对非平直端壁的大弯度压气机叶栅所完成的测量,包括沿叶高的叶型表面上气流参数分布和叶栅通道中的整个流场。为了进行对比和详细研究端壁效应,还对二维叶栅完成了同样的测量内容。对所观察到的复杂流动现象进行了分析。实验结果还与叶栅全三维无粘流计算进行了对比。本文所获得的完整的三维流场实验数据,为建立叶栅流动模型,研究小展弦比叶栅中气流展向掺混的机理,以及为检验全三维流动计算方法提供了可靠的依据。      

不同尾缘喷射对涡轮叶栅气动性能的影响

通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联 ,初步提供了能较为准确预测尾缘冷气喷射对尾迹参数分布规律及气动性能影响的理论预测系统。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明 :喷气流量比增大时 ,两种不同形式叶栅的能量损失系数都有先减小后增大的趋势 ;在相同条件下 ,半开缝叶栅的能量损失系数比对开缝在相应条件下的要稍小一些 ;尾缘喷射对于叶栅的平均出口气流角的影响很小     

侧壁附面层对涡轮平面叶栅试验结果的影响

用VKI- 1叶型组成的涡轮平面叶栅分别在德国哥廷根的EGG平面叶栅风洞和我所的超、跨声速平面叶栅风洞上进行了试验研究。录取了叶片表面压力分布、叶栅尾迹测量数据等。此外用皮托管测量了叶栅进口的总压分布及附面层厚度。作者阐述了侧壁附面层特别是附面层的位移厚度对涡轮平面叶栅流场的影响 ,并给出了相应的修正系数。这两个风洞的试验结果与其它欧洲叶栅风洞的试验结果作了比较。     

可控扩散叶型叶栅三维流动的试验研究

本论述了对大弯度可控扩散叶型叶栅三维流场进行的试验研究情况，试验中利用小型五孔探针测量了栅后两个截面全叶展的气流参数。在叶片表面沿展向开4排孔测量了不同叶高处表面压力分布，并对端壁进行了流动显示，通过试验了解了叶栅三维流动和通道涡的情况以及叶型负荷、叶栅损失与气流转折角的展向分布规律，此项工作的目的是为研究第二代可控扩散叶型作技术储备。     

涡轮叶片尾缘开缝喷气的数值模拟和试验研究

以某涡轮叶栅为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方式研究了涡轮叶片尾缘不同喷气形式对叶栅性能的影响。应用一维源项喷气模型,结合涡轮叶栅流场数值模拟,得到了不同喷气形式下涡轮叶栅流场细节。计算与试验结果显示:两种开缝形式下,喷气比例对叶片表面参数以及出口气流角影响不大,但能量损失系数随着喷气比例的增大出现先增大后减小的趋势。对开缝时,喷气引入吹除了附着在叶片尾缘的漩涡,并增强了尾迹与主流的掺混过程;半开缝时,喷气的引入仅吹除了附着在开缝处的漩涡,对于尾缘处流场影响不大。      

涡轮叶栅尾缘冷气喷射对主流场干扰的物理模型的研究

本文分析了叶片尾缘喷气与主流干扰的机理,改进了二维、可压缩的涡轮叶栅尾缘喷气模型,并以能量损失系数ξＦ 来反映冷气喷射对主流的气动影响。通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联,分析了冷气喷射后的气动损失。与实验结果的对比分析表明,该模型能较准确地反映叶栅尾缘冷气喷射与主流的掺混情况,适用于预测不同形式的叶栅尾缘喷气对叶栅气动性能的影响     

高亚声速大弯角轴流压气机平面叶栅损失模型研究

基于亚声速叶栅设计点损失预估模型,结合无粘S1流场与附面层迭代计算发展了一套计算大弯角轴流压气机平面叶栅流场程序。增加弯度比分布及最大厚度修正得到设计点损失预估模型,采用马赫数修正后的叶栅有效工作范围得到一套大弯角叶栅全工况损失预估模型。分析了轴向密流比在实验中对叶栅损失系数的影响。结果表明,S1流场计算程序与修正后的损失预估模型均能准确地预估出大弯角叶栅设计点损失系数,误差分别小于0.006与0.004。非设计点损失模型能有效地预估得到叶栅有效工作范围内的损失随攻角的分布。初步验证了损失模型对高亚声速大弯角平面叶栅损失系数预估的准确性。     

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

基于深度神经网络的超声速隔离段湍流涡黏性系数辨识

雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程由于计算成本较低，当前仍然在工程设计领域广泛应用。为了进一步提升计算精度和减少时间，应用深度神经网络（deep neural networks, DNN）方法自适应辨识稳态湍流涡黏性系数。以隔离段的激波串前缘位置检测流场生成为例，使用Wilcox-2006 k-ω湍流模型进行模拟。在不同的背压情况下，产生稳定状态的湍流涡黏性流场作为模型学习的训练数据集。最后在不同背压条件下开展了测试。结果表明：提出的DNN方法能够快速预测湍流涡黏性系数的值，预测值与计算流体力学数值模拟计算的参数值相比，方均根误差较小，可决系数大于99%，预测的流场结果与真实流场基本一致，进一步验证了深度学习技术在湍流模型参数辨识的可行性。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明：采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的y向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4～15Hz的叶栅摆动频率、8°～30°的叶栅摆动角度、50～100mm的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性（等相位速度脉动量）与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

SA一方程湍流模型参数影响分析与辨识

SA(Spalart-Allmaras)一方程湍流模型是目前工程湍流计算中主要采用的湍流模型之一。首先,针对某典型战斗机的小攻角、中等攻角、大攻角流动工况,利用均匀试验设计方法分析SA一方程模型中8个参数取值对上述工况下飞机升力和阻力系数计算结果的影响规律;然后,建立工程湍流模型参数的辨识方法,并将其用于该战斗机大攻角工况下湍流模型参数cb1值的辨识调整。结果表明:不同工况下,湍流模型参数对计算结果的影响规律不同;在附着流状态下,对升力和阻力影响较大的参数是cv1和cb1;在中等攻角和较大攻角下,对升力和阻力影响较大的参数是cb1;适当减小参数cb1的取值后,升力和阻力系数的计算结果有较明显的改善,这可能与飞机大攻角分离流场中涡粘系数和剪切应力的发展与自由剪切流存在一定差异有关。     

叶片正弯曲对间隙流动损失的影响

对具有2.3%相对顶部间隙的常规直叶栅和正弯叶栅的流道及间隙内的气动参数进行了详细测量,实验结果发现:顶部间隙的存在对叶栅的气动性能有较大影响,使叶栅上半翼展损失明显增高;叶片正弯曲减小了叶顶后部的横向压力梯度,削弱了泄漏流与端壁横流的相互作用,降低相对漏气量的同时也降低了叶栅的流动损失,明显改善了叶栅的出口流场。      

两个涡轮叶栅跨声速流场的数值模拟

采用CFD软件CFXTASCflow时两个涡轮叶栅跨声速流场进行了分析，其中一个为高压涡轮导向器环形叶栅，另一个为高压涡轮动叶中截面平面叶栅，计算结果与试验数据吻合良好。