管道中超声速旋涡运动的数值模拟

本文利用ＥＮＮ格式通过求解ＮＳ方程，数值模拟了超声速旋涡在管道中沿其轴向的演变规律。结果表明，当流动处于顺压区，在涡轴附近，截面流线为不稳定的螺旋点形态；当流动处于逆压区，在涡轴附近，截面流线为稳定的螺旋点形态；当从顺压区过渡到逆压区，涡心附近出现不稳定极限环；反之，出现稳定极限环。数值模拟结果同张涵信的拓扑分析理论十分相符。     

旋涡沿轴线的非线性分叉

本文研究了低速旋涡沿其轴向的演变，发现涡轴上λ＝（１／ρ０）是决定其演变规律的重要参数。如果λ＞０，涡轴附近横截面的流线是由外向内转的稳定螺旋点形态；如果λ＜０，是由内向外转的不稳定螺旋点形态。如果沿涡轴，λ变号，则由变号点起出现Ｈｏｐｆ分叉，产生极限环。λ分叉，产生极限环。λ由正变为负，极限环是稳定的；λ由负变为正，极限环是不稳定的。一个稳定的旋涡要演变为破裂，一定要伴随先出现Ｈｏｐｆ分叉。旋涡     

三维定常分离流和涡运动的定性分析研究

本文由两部分组成。第一部分研究和分析了物体表面上的分离形态,指出若分离线从奇点始,该奇点为鞍点;若在奇点终,该奇点为结点。若分离线上有很多奇点,其鞍点和结点是交替分布的。分离线的起始,可能有三种形态:一种称之为闭式分离的鞍点起始;一种为正常点起始;一种为鞍、结点组合形态起始。可以把正常点起始和距离很近的鞍、结点组合形态起始称之为开式分离。在一定条件下,闭式分离的形态,先转变为鞍、结点组合的形态,然后过渡到正常点的开式分离。第二部分研究了旋涡沿其轴线发展过程中,其横截面流线形态的发展,指出旋涡轴线上物理量λ=(1/ρ)(ρw/z)是决定流线形态的重要参量。如果λ>0,截面流线在涡心附近是稳定的螺旋点形态。如果λ<0,为不稳定的螺旋点形态,如果λ=0,流线形态是中心型的,当沿涡轴λ由正变负或由负变正时,相应在涡心附近截面流线由稳定螺旋点形态变为不稳定螺旋点形态,或由不稳定螺旋点形态变为稳定螺旋点形态;并且从λ由正到负的变号点起,截面流线产生稳定的极限环,或从λ由负到正的变号点起,产生不稳定的极限环。旋涡破裂只能发生在截面流线为不稳定螺旋点形态的区域中,在通过涡轴的纵向平面内,破裂点处的流线形态是鞍型的。破裂涡的合拢点处在不稳定的极限环区域内。     

超声三速角翼背风区旋涡运动的数值模拟

本文采用杂交通量分裂的ＮＮＤ格式模拟了Ｍ∞＝１．９５、Ｒｅ＝９．５×１０５，α＝１０°、２０°的三角翼绕流流场，结果揭示了超声速旋涡沿其自身轴线的发展规律，当旋涡轴向速度为超声速且处于顺压区时，涡轴附近的横截面流线向外转，而由机翼前缘尖点处发出的截面流线向内卷，它们之间存在极限环。数值结果与张涵信的拓扑分析结果完全一致。     

跨,超声速三角翼背风区旋涡运动的数值模拟

采用杂交通量分裂的ＮＮＤ格式模拟了跨，超声速三角翼背风区的旋涡运动结构。结果表明，旋涡的截面结构依赖于涡轴上的速度与密度的乘积沿轴向的导数λ＝「（１／ρ）（δρｕ１／δｌ）」，当它大于零时，涡心附近的截面流线向里转，而当它小于零时，涡心附近的截面流线向外转，λ由大于零变到小于零，涡心附近将出现一个稳定的极限环，多一次变号，将多出现一个极限环。     

三角翼非定常旋涡运动横截面拓扑结构研究

本文用数值方法求解N-S方程，研究了低速流中三角翼背风面涡破裂演化过程中前缘涡的横截面拓扑结构。从横截面流线发现，从翼尖到近尾迹，前缘分离涡经历了由稳定到不稳定，再由不稳定变为稳定，在尾迹上又再次变为不稳定等三次转换过程，并由三个极限环的产生实现这些转换。对比沿涡轴的轴向速度分布表明，这些截面拓扑结构的变化规律以及极限环的产生与定性分析理论是相符的。当极限环扩散到前缘涡以外的区域时，极限环会溶入外流而消失，所以能否出现多个极限环同时存在的情况，取决于极限环的扩散速度。在涡破裂的产生与演化过程中，前缘涡的横截面拓扑结构沿流向的变化规律基本不变，原因在于涡破裂的产生和演化并没有改变旋涡沿轴向的拉伸和压缩规律。因此旋流沿流向的拉伸和压缩是确定横截面拓扑变化规律的主要因素，涡破裂以及破裂特性的改变，并不产生新的横截面拓扑结构。     

带座舱飞船高超声速粘性绕流的分离形态及流场结构分析

通过求解薄层近似的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，数值模拟了带座舱飞船高超声速粘性绕流，首次系统地给出了攻角为５°、１０°、２０°、３０°和４０°情况下的物面分离形态、横戴面流线形态、纵剖面流线形态以及旋涡沿涡轴的演变形态。分析和比较表明，本文采用数值可视化方法给出的流场拓扑结构与相应的拓扑规律完全吻合。在飞船后体流场横截面流线中，本文发现了稳定的极限环流态，该极限环涡心处沿涡轴方向的速度是超声速     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

基于表面压力信息的空间流向涡识别方法

旋涡与表面的相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中，旋涡影响飞行器表面的压力分布，引起其气动特性的改变。而表面压力分布同样反映飞行器绕流中复杂涡系的空间流动特征，结合迎角、侧滑角等来流参数，可以判断飞行器受力状态和运动趋势。以平面点涡和“镜像涡”理论为基础，建立基于表面展向压力分布曲线的空间涡识别方法。根据截面展向压力分布曲线是否存在因主涡诱导下洗气流产生的正压区，定义流向旋涡的近物面流动和远物面流动；根据二次涡相对于主涡的位置，定义压力分布曲线的“近二次涡侧”和“远二次涡侧”。利用展向压力分布曲线“远二次涡侧”的1/4峰值、峰值及其展向位置，识别流向旋涡空间位置特征和强度特征。搭建涡-面相互作用试验平台，比较空间流场测量结果和表面压力信息识别结果，验证该方法有效性。研究结果表明：通过表面压力分布曲线可以辨识流向旋涡的空间位置和强度特征，空间流场测量与基于表面压力信息的旋涡识别结果的关联性分析验证了该方法的有效性。为重构飞行器周围旋涡流动结构，以及实现飞行器气动力的预测奠定了重要的技术基础。     

翼梢涡的结构与控制方法探索

本文的研究目的是弄清机翼翼梢涡的结构及安装翼梢扰流片对翼梢涡的影响,研究方法是设计制作了几种不同的扰流片,分别把它们安装到一个基本翼的翼梢上,利用氢气泡显示法在槽中观察了无附加扰流自发安装不同扰流片时翼梢涡的结构和衰减过程,利用激光测速仪在水洞中测量了有无扰流片时翼梢涡的周向速度分布,给出了翼梢涡影响标度的衰减曲线。实验结果表明：扰流片对翼梢涡的初期结构有影响,但对翼梢涡的中、后期发展影响不大。     

三角翼前缘脱体涡和尾涡的卷起及其相互作用

本文应用二维非定常比拟和恪子涡(Vortex-in-Cell)方法,数值模拟了三角翼前缘涡层的卷起以及与尾涡的相互作用。由于使用了数千个点涡和较小的空间网格,获得了前缘涡层小涡配对出现的较大的离散涡,模拟了紧卷涡层的不稳定现象。这是以前类似的工作未曾实现的。     

非定常扰动对涡破裂的影响

在旋涡发生器内进行了涡管内的涡破裂研究。试验表明,不论是泡状或是螺旋状破裂,趋近破裂点时流速均趋于零;非定常扰动使涡轴附近的轴向速度增大,从而延缓了涡破裂的发生;在定常流参数、扰动频率和振幅的适当组合下,扰动可促使破裂状态由泡状转变为螺旋状,大大推迟涡破裂的发生。初步的理论分析表明,上述现象可能来源于流动共振。文中最后还给出了水槽中前缘振动襟翼的实验结果。试验表明,襟翼振动可延缓破裂的发生,且存在一个最佳的频率。试验中还发现,大迎角时,若襟翼不振动,可交替地只在一侧产生前缘涡,襟翼振动可消除这一现象。     

卡门涡街与翼型的相互作用

本文利用保角变换,用离散涡方法求解了卡门涡街与翼型的相互作用。较详细地分析了它作为偶极子声源的特性,并模拟了在涡翼相互作用过程中尾迹的发生和演化。计算结果表明:在相互作用时,尾迹所吸收的声能可以是正值也可以是负值;升力和声偶极子强度出现了周期性脉动,这种脉动与翼型的振动和噪声有直接的关系。     

不同深宽比陷窝诱导涡结构分析

陷窝所诱导的旋涡强化动量或热的交换,使得陷窝在分离流动控制和强化对流传热研究中很受关注。深宽比是影响陷窝诱导涡结构的重要参数,开展了深宽比对陷窝诱导涡结构影响的研究。研究发现,深宽比为0.06时,涡结构为马蹄涡;深宽比为0.1至0.14时,涡结构为闭式分离泡;深宽比为0.16至0.20时,涡结构为对称类龙卷风涡;深宽比为0.22至0.30时,涡结构为非对称类龙卷风涡。通过涡核涡强度对比发现,过深的陷窝和过浅的陷窝其内涡强度均比中等深度陷窝弱。     

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义。利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析。结果表明：流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的。     

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.      

关于旋涡定义的思考

针对旋涡定义这个长期未解决的难题,在分析历史上提出的几种思路的基础上,本文提出:定义旋涡的总目标,应当体现其管状运动形态,并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合;该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果,并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此,本文根据涡量场演化的已知规律,提出了旋涡的一个动力学定义,作为继续深化讨论的参考。同时提出,人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据,虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用,但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下,近十年来形成的涡量面理论,有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。     

DBD涡流发生器及其在角区流动控制中的数值研究

为明确介质阻挡放电(DBD)涡流发生器对马蹄涡的影响,在采用唯象模型的基础上,通过数值方法研究了DBD涡流发生器诱导产生流向涡的结构特性及其对马蹄涡的控制特性。研究结果表明,流动在激励器上游边缘处形成羊角涡,自由剪切层卷入流向涡的涡核并为其提供持续涡量;在柱体根部角区流动中,当对称面两侧激励器诱导流动指向对称面,诱导涡与马蹄涡环绕方向相反时,马蹄涡可以得到有效抑制,反之,则控制效果不佳。最后得出,诱导涡对下游马蹄涡的控制机制体现在其黏性扩散作用、掺混作用以及低压效应3个方面。     

机匣相对转动对涡轮叶顶间隙流动的影响

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要因素之一。对LISA 1.5级轴流涡轮内三维流动的数值计算结果表明:当叶片静止时,叶片顶部压力面静压增加,叶片顶部载荷增大。通过间隙的流量增加,同时吸力面侧在叶片前缘、叶片中部各形成一个间隙涡。叶片前缘间隙涡会迅速耗散,同时使得叶片中部形成的间隙涡维持在吸力边附近,上通道涡被排挤到间隙涡下方,导致动叶出口截面上、下通道涡形成的高损失区合并,影响范围增大。