大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

几何微扰动对脱体涡非对称性影响的数值分析

利用拟压缩性方法，Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似因式分解格式数值求解三维定常不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程采用Ｄｅｇａｎｉ－Ｓｃｈｉｆｆ修正的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，计算了绕尖头正切拱型旋成柱体的大迎角大雷诺数脱体涡流场，计算结果表明，在柱体头部施加微小的非对称几何扰动时，可以得到与实验相符的非对称脱体涡。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅱ——数值模拟研究

在实验研究和理论分析的基础上,对亚声速压气机转子尖部复杂流动做了数值模拟研究,旨在进一步深入研究叶尖间隙和进口总压分布对转子叶尖复杂流动的影响。首先通过对与实验条件相同的转子尖部复杂流动的数值模拟研究,校验了数值模拟结果,并分析了转子尖部复杂流动速度场、压力场和涡量场分布特性。然后通过改变叶尖间隙尺度和进口总压分布,研究了二者对近叶尖复杂流动的影响。研究结果表明:当叶尖间隙小于1%叶片弦长时角区旋涡的发展是导致转子失速的关键;而当叶尖间隙大于2%叶片弦长时叶尖泄漏涡的发展是导致转子失速的关键;改变进口总压分布可以合理地组织转子尖部流动并扩大转子工作裕度。此外,通过观测近叶片吸力面二维涡线的发展趋势可以判断叶尖复杂流动的发展状态。     

具有叶顶间隙涡轮转子叶栅流动的拓扑及旋涡结构观测

为了了解具有顶部间隙的涡轮转子叶栅流道内及间隙内的流动状况,采用五孔球头测针和五孔微型束状测针分别对叶栅流道和间隙进行了测量,同时对端壁及叶片壁面进行了流动显示,采用拓扑分析方法对显示结果进行了详细分析,探讨了间隙存在时叶栅各种旋涡的形成机理。测量及显示结果表明：由于顶部间隙的存在,在叶栅顶部形成如泄漏涡等复杂的涡系结构,这些涡系之间及它们与上通道涡之间发生强烈的相互作用,明显增大了叶栅的顶部损失;在叶栅尾缘附近存在着部分回流区域。     

旋涡运动研究的某些进展

 本文简要介绍研究旋涡运动在以下问题上的某些结果:低速不同后掠角三角翼在各个迎角下的九种分离流类型及其边界;应用微分方程定性论与拓扑学对三维分离流与旋涡流的分析;旋涡破裂形态,对三角翼前缘涡破裂的实验研究与理论分析;受控分离与旋涡的干扰,二旋涡的位移、绕转与合并等。     

Grid-Adaptive Computations of Magnetized Jets

We present grid-adaptive numerical simulations of magnetized plasma jets, modeled by means of the compressible magnetohydrodynamic equations. The Adaptive Mesh Refinement strategy makes it possible to investigate long-term jet dynamics where both large-scale and small-scale effects are at play. We extend recent findings for uniformly magnetized, periodic shear layers to planar and fully 3D extended jet segments. The jet lengths cover multiple, typically 10, axial wavelengths of the fastest growing Kelvin–Helmholtz (KH) like modes. The dominant linear MHD instabilities of the jet flows are quantified by means of MHD spectroscopic analysis. In cases characterized by sonic Mach numbers about unity and large plasma beta values, both single and double shear layers (planar jets) manifest self-organizing trends to large scales, e.g. by continuous pairing/merging between co-rotating vortices, simultaneously with the introduction of small-scale features by magnetic reconnection events. The vortices form as a result of KH unstable shear-flow layers, and their coalescence arises from the growth of subharmonic modes at multiple wavelengths of the fastest growing KH instability. In extended two-dimensional jet segments, we investigate how varying jet width alters this coalescence process occurring at both edges, e.g. by introducing Batchelor-like coupling between counter-rotating vortices formed at opposing weakly magnetized, close shear layers. Finally, periodic segments of supersonic magnetized jets are simulated in two- and three-dimensional cases, which are characterized by violent shock-dominated transients.     

大转角透平叶栅叶片反弯曲的实验研究

同常规直叶栅相比 ,叶片反弯曲可改善端壁前缘区流动 ,降低前缘涡和通道涡强度 ,减小前缘涡损失及通道涡粘性耗散损失 ,整个叶栅的通流能力提高 3.2 % ,质量流量平均总损失降低19.1% ,同时 ,叶栅出口气流条件也得到改善。因此 ,对于大转角透平叶栅 ,在进行弯曲叶片的弯扭气动联合成型时 ,迫切需要研究和采用这种新的叶片叠积方式 ,以使二次流损失降低。     

分离流动的某些进展

 本文综述了判定二维非定常和三维定常粘性流动分离的条件及分离点、线附近流动性状的研究概况,介绍了作者的工作。     

二元矢量喷管流场的N－S方程计算

对二元矢量喷管在不同工况下的流场进行了数值模拟。求解的控制方程为三维非定常Ｎ－Ｓ方程。空间方向用有限体积离散，时间方向用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法推进。粘性项的计算上采用了一种有限体积框架下新的离散化方法。湍流模型采用了广泛使用的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数模型。计算表明，本文方法能准确地计算二元矢量喷管、非矢量喷管在设计与大设计落压比下的流场。     

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

喷管加装小突片强化射流混合的PIV测量

在常温、超声速流动状态下,采用PIV技术定量测量了收敛喷管和收扩喷管加装小突片时射流纵截面的速度场和涡量场,并对其速度场和涡量场进行了比较。结果表明,对于收扩喷管,虽然其速度边界层厚度明显大于收敛喷管,但加装小突片结构也能够明显的强化射流的混合。并且发现,小突片结构不仅能产生流向涡,而且对周向涡有明显的强化作用。     

尾缘修形的二元喷管内外流场数值研究

针对美国第四代战斗机F-22在二元收-扩喷管设计应用上的特点,利用时间推进的有限体积法对二元喷管尾缘修形前后非矢量状态下的内外流混合流场进行了数值模拟。结果表明:二元喷管出口尾缘修形使得喷管出口下游流场中出现了很强的流向涡,能够促进内外流的强化混合,对缩短高温核心区、加快尾喷流沿流向的温度衰减有明显效果,对抑制尾喷流的红外辐射有一定好处。      

基于小波奇异分析的流场计算方法及应用

首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算,发展了一种高效率、高精度、高分辨率的方法.该算法的核心是获取流场中物理量在不同空间点的Hlder指数α,而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维(即二维或三维)小波分析技术.在三维与二维欧氏空间中,为进行小波多分辨分析,需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基.对二维问题,尺度基与小波基的基底要由1个尺度函数与3个小波函数组成,而三维时要由1个尺度函数和7个小波函数组成.借助于小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域与光滑区域,便可分别选用高分辨率、高精度的WENO(weighted essential non-oscillatory)格式与高精度中心差分格式进行流场的离散求解.一系列二维(即,①二维前台阶问题的Euler流;②二维双马赫反射的Euler流; ③著名的二维Riemann问题;④跨声速RAE2822翼型二维绕流; ⑤跨声速VKI-LS 59二维涡轮叶栅绕流)与三维(即,⑥跨声速轴流压气机转子NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37三维黏性绕流;⑦跨声速风扇转子NASA Rotor 67三维黏性绕流)算例表明:该方法的计算效率比传统的WENO格式有较大的提高,大部分典型算例能够提高3~5倍,而且可以获取复杂流场中高分辨率的激波结构以及涡系分布,可以得到与有关实验数据较为吻合的数值结果.      

Effects of Staged Injection on Supersonic Mixing and Combustion

The three-dimensional (3D) reacting flow in a staged supersonic combustor is examined numerically. In order to obtain the optimum stream-wise vortices, a swept ramp injector is chosen as the second-stage wall injection combined with the first-stage central strut injection. The performance of the two-staged injection is compared with that of a one-staged injection, while the strut is kept installed in both cases. The two-staged injections can make full use of the residual oxygen near the wall and release more heat. The second-stage injection further downstream avoids the strong shock waves in the isolator and results in a rising wall pressure and good burning effects after the wall injection. Therefore, it allows more fuel to be injected into the supersonic combustor without causing thermal choking. Parallel injection from the second-stage swept ramp shows low total pressure loss and the best burning efficiency, compared with the other injection angles.     

摆线桨非定常动态失速的三维效应

对摆线桨三维全尺寸模型进行了非定常数值模拟。验证了两种嵌套网格方法的可靠性与适用性,针对二维/三维情况下摆线桨非定常涡流动特性及诱导分离特性开展了数值分析,重点研究了展向气动力随方位角的分布与全局流场的诱导速度分布,并分析了尾迹捕捉精度与涡量耗散特征。结果表明:受摆线桨切向速度、展向诱导速度等三维效应影响,两种计算结果的瞬态气动力极值差值达到44%。三维动态失速涡的产生、脱落与再附明显弱于二维翼型情况,这对于摆线桨非定常气动特性有较大影响。      

包含旋转矢量的三维湍流模型

对雷诺应力方程中的旋转项进行分析后给出比较合理的模化关系。通过湍流的生成项、耗散项以及旋转项的局部平衡,建立了一个包含旋转矢量在内的各向异性的三维湍流模型。该模型对三维性较弱的剪切流是适切的。对旋转螺旋面及压气机转子叶片上的三维旋转湍流边界层进行了计算。计算结果与实验和C-S模型计算结果比较表明,该模型对近壁参数的预测能力有所改善。另外,该模型形式简单,从表达式本身来看,它相当于Bradshaw模型在三维问题上的推广。     

Behavior of wake vortices near the ground over a large range of Reynolds numbers

Numerical simulations based on the two-dimensional vorticity-stream function formulation are used to investigate the behavior of wake vortices near the ground over a wide Reynolds number range and to determine the maximum height the primary vortices reach far downstream of the lifting wing. All cases within the studied Reynolds number range (3 · 10² ≤ Re_Γ ≤ 3 · 10⁶) show the separation of boundary layer vorticity from the ground, the formation of vortices in the separation region and one or several rebounds of the primary vortex pair. The amount of circulation produced within the boundary layer shows only minor variations, while an increasing Reynolds number results in an increasing number of generated vortices with decreasing circulation. The minimum altitude of the primary vortex pair increases with a decreasing Reynolds number, while the maximum altitude far downstream does not show a regular dependence on the Reynolds number. For all Reynolds numbers the maximum altitude of the primary vortices far downstream is smaller than 3.1 times their initial spacing. This result is confirmed by theoretical deductions yielding an upper limit for the maximum altitude of the primary vortices after several rebounds.     

N-S方程数值模拟弹体不可压脱体涡绕流

应用在连续方程中增加压力对时间导数项的拟压缩性方法 ,数值求解三维定常不可压N- S方程。采用隐式 Beam- Warming近似因式分解格式求解。以修正的 Baldwin- Lomax代数模型模拟湍流流动。对绕正切拱形旋成柱体的大迎角脱体涡流动进行了数值模拟 ,并分析了层流粘性和湍流粘性对脱体涡及二次分离涡的影响。在头部施加微小的非对称射流扰动可得到与实验相符的非对称脱体涡     

突然起动圆柱的非定常绕流计算

本文用分区方法定量模拟高Re数情况下突然起动圆柱的初期对称流动。绕圆柱的二维不可压流场可分为无粘区、附着粘性区和分离区。无粘区有解析解，用非定常层流边界层方程解附着粘性区，用离散涡方法处理随时间变化的分离区。试用了混合的Rankine和Lamb涡模型及二次离散涡。给出了Re=300、9500两个算例，基本符合有关实验结果。     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。