低雷诺数下二维翼型绕流的流场特性分析

采用高精度有限差分格式,对低雷诺数下二维翼型绕流进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为1.0×104,NACA0012翼型0°,4°以及10°攻角下的流场。计算结果表明:在0°和4°攻角条件下,翼型绕流尾迹区的统计特性相似,0°攻角下的统计量值具有很好的对称性;在距翼型尾缘0.3弦长以后的尾迹区,旋涡排列成类似涡街的结构,涡量的极值、压力的极小值都位于旋涡中心,沿着流向,涡量极值的绝对值逐渐减小,压力的极小值逐渐增大。10°攻角下,翼型上表面从前缘开始分离,尾迹区统计分析结果所得图象与0°和4°完全不同,数值上较后者结果大;在翼型尾缘处,涡量的卷吸,高压力区域的形成,是旋涡脱落的条件,正向和反向旋涡的交替脱落,形成了类似涡街的结构。      

翼型近尾迹流动的PIV研究—动力学机制

利用在线式互相关PIV(ParticleImageVelocimetry)系统,在低速风洞中对NACA0012翼型在雷诺数2.39×105,0°和4°攻角下的近尾迹流动进行了详细测量。实验结果表明,翼型近尾迹存在有序的涡街结构,涡街在尾缘处形成后,在向下游的迁移中,会经历一个发展壮大、失稳破碎的演化过程,流动从有序走向无序。翼型的近尾迹是一种以旋涡的运动学特性和动力学机制为主导的流动现象。本文着重探讨了翼型尾缘处的涡街形成机理,尾迹内的流动机制,以及近尾迹的流动稳定性。      

圆柱／翼型干涉流场的试验研究

在风洞出口低速流中,以NACA0012尾缘钝化翼型为模型,利用粒子成像测速系统,研究了圆柱/翼型结构干涉流动时翼型前缘、近壁和尾缘区域的流场.试验结果表明,由于上游圆柱引起的卡门涡街和翼型相互干涉,在翼型前缘存在大尺度涡的变形、拉伸和破裂,在翼型表面近壁区域和尾迹流场中仅存在小尺度湍流涡,由此可以推断翼型前缘可能是干涉噪声的主要声源区.     

逆压区域锯齿结构翼型气动噪声特性研究

为了研究翼型在逆压梯度区域内的流动控制和气动噪声特性，在NACA0018翼型0.45～0.50倍弦长区域内设置三种锯齿结构，应用Lighthill声类比方法对比分析了翼型在不同工况下的近场和远场气动噪声特性。结果表明，逆压梯度区域内锯齿翼型的近壁面湍流强度随锯齿夹角的增大而增大，锯齿翼型流动分离点的位置比干净翼型提前，90°锯齿翼型的动压幅值降低；翼型的主要噪声源分布在翼型吸力面沿至尾流区域，90°锯齿夹角翼型在翼型弦长中点上方和前方0.5 m处的噪声分别降低了约1 dB和3 dB;增大来流速度使翼型近场的最大总声压级方向由0°变为10°;90°锯齿翼型在不同来流速度下近场和远场的降噪效果良好。     

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。     

尾缘锯齿结构的降噪物理机制实验

对比分析了常规尾缘翼型与锯齿尾缘翼型尾缘湍流流场的基本特征,并通过线阵列的方法测量了两种尾缘结构的噪声.结果表明:锯齿尾缘翼型尾缘湍流流场的湍流强度以及3个方向上的湍流强度都相比于常规尾缘翼型有显著减少,声场结果显示锯齿尾缘翼型对尾缘噪声有显著减小,对前缘噪声影响很小.锯齿结构加宽了尾迹区域并加快了大涡的破碎,产生了额外的马蹄涡,湍流脉动衰减率沿着流动方向变大.      

来流湍流度对超高负荷低压涡轮附面层流动控制手段的影响

实验研究了表面粗糙度耦合上游尾迹的流动控制技术,分析了来流湍流度（FSTI）在流动控制过程中对叶片吸力面附面层分离、转捩特性的影响.实验发现:在速度峰值点至分离点之间布置粗糙高度与弦长之比为1.05×10-4的粗糙条带可以在来流湍流度为0.4%与2.2%的低雷诺数范围内降低叶型损失.在雷诺数为85000的状态下,FSTI影响了尾迹通过区、尾迹诱导转捩区及自然转捩区的附面层动量厚度,造成了叶型损失的差异,但FSTI对抑制区的影响较小.      

锯齿尾缘翼型近场湍流试验研究

基于锯齿尾缘结构在航空发动机上的应用,对其降噪机理进行研究。通过3维热线风速仪测量2种尾缘结构的尾迹流场揭示锯齿降噪的流动本质,其结果显示出锯齿尾缘后流场的细微湍流结构变化规律,并在尾迹流场可见单个锯齿的齿峰和齿谷。结果表明:锯齿尾缘后尾迹中心线速度的衰减率比直尾缘的高;湍流峰值因为锯齿尾缘的存在出现在离翼型更远处,锯齿在近尾迹区产生了额外的马蹄涡。     

仿生覆羽控制固定翼无人机流动失速风洞实验

研究了基于鸟类仿生学设计的人工柔性锯齿形覆羽在平直机翼大攻角失速流动控制中的作用。实验在天津大学低速回流式低湍流度风洞中进行，以展长1.0 m、弦长300 mm的NACA0018平直机翼模型在15°攻角条件下产生的失速流动作为研究对象，基于弦长的雷诺数为Re=5.1×10⁵。实验中，将柔性覆羽沿展向分别安装在机翼上翼面的不同位置处，利用单丝热线风速仪扫掠测量机翼尾流的速度信号，并与无控制工况的平均速度、脉动速度、功率谱密度等对比。实验结果显示：在20%c位置工况中，柔性覆羽装置吸收来流中的能量，随上翼面流动自适应振动；在80%c位置工况中，柔性覆羽处于准平衡位置，并伴随微小振动。两种工况的尾流区平均速度亏损恢复明显，同时前缘剪切层和尾缘剪切层中的湍流脉动均明显降低，两种工况均实现了流动失速的有效控制。进一步的功率谱密度和离散小波分析显示，柔性覆羽的自适应振动能有效地抑制剪切层中低频、大尺度结构(fc/U_∞<1)，并将其转化为高频、小尺度结构(fc/U_∞≈3)，增强了前缘剪切层和尾缘剪切层的相干性。该研究结论揭示了类...     

低雷诺数下尾迹与分离边界层的相互作用研究

 用有压力梯度平板模拟典型后加载负荷分布形式下低压涡轮吸力面边界层的发展,研究尾迹与分离边界层的相互作用,并对比了雷诺数变化的影响,还分析了在很低雷诺数下尾缘脱落旋涡和分离区的相互作用。结果表明,在相同出口马赫数下,随着雷诺数降低,壁面等熵马赫数发生变化,峰值马赫数有所降低。尾迹与分离区的相互作用,通过在分离区诱导卷起的旋涡,产生湍流以及Calmed区,抑制边界层分离。当雷诺数很低时,分离区与尾缘脱落旋涡的非定常现象需要在涡轮设计中给予关注。     

翼型尾缘噪声源空间分布与辐射特性关系

详细研究了翼型湍流边界层尾缘宽频噪声源空间分布与辐射特性的关系.采用基于雷诺平均流场的翼型尾缘宽频预测方法研究了NACA0012翼型湍流边界层尾缘宽频噪声在4种不同工况下的噪声源空间分布与辐射特性.首先计算了NACA0012翼型湍流边界层尾缘噪声源在不同频率下的空间分布.计算结果发现:边界层中湍流是翼型湍流边界层尾缘噪声声源.随着频率的增加,噪声源强度和噪声源空间尺寸都是先增加后减小,噪声源位置不断靠近翼型尾缘.同时也计算了边界层内不同位置处的噪声源对远场噪声的辐射特性,结果表明:边界层内层区域,其噪声频谱能量集中在高频;边界层外部区域,其噪声能量集中在中低频;攻角增大或者来流速度减小,噪声能量向低频转移.      

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

出流比对扰流柱通道弦向出流量影响实验

 为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动情况,对叶片内流通道工程计算程序进行验证,针对不同的弦向出流比(弦向出流量与总流量之比),通过实验测量了梯形通道短扰流柱排的端壁静压分布,以及各段弦向出流量沿叶片径向的分布。实验结果表明：（1）当弦向出流比较大时（c≥0.5 ）,沿径向静压变化小,扰流柱区域的流动基本为弦向流动。当出流比较小时(c<0.5)时,沿径向静压变化明显,压力先下降而后回升。扰流柱区域的流动既有弦向流动,同时又有径向流动。（2）大出流比时（c≥0.5 ）各段出流量变化幅度相对较小,而小出流比时(c<0.5)各段出流量变化幅度较大。（3）总压损失系数随着出流比、雷诺数的增加而减小。实验结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。     

低雷诺数NACA0012平面叶栅流场直接数值模拟

采用具有7阶精度的weighted essentially non-oscillatory(WENO)差分格式,直接求解可压缩二维非定常N-S方程组,研究了NACA0012翼型平面叶栅低雷诺数流动的特征.直接模拟及与文献对比的结果表明:叶栅尾缘涡脱落的形成过程与圆柱绕流涡脱落的形成过程非常相似.平面叶栅尾迹区的2阶统计量与孤立翼型尾迹区的2阶统计量具有相同的分布特征,但前者的强度显著大于后者.周期性的涡脱落不仅在上下翼面形成非定常分离,也使得尾迹区某点的总压发生准周期性的变化.随着栅距的减小,翼型上的平均分离位置向前缘移动;尾迹区某点的总压变化频率及其幅值均显著地增加;而且栅距越小,速度脉动2阶统计量反而越大.      

使用GAO-YONG湍流方程组对翼型绕流的计算

将GAO-YONG湍流方程组应用到翼型复杂绕流场的计算中,研究了机械能方程中Du/Dt项和各向异性湍流黏性系数分量中的实度系数Cs的影响,给出了控制Du/Dt项作用区域和选择实度系数Cs值的判别函数,对NACA4412翼型最大升力迎角下的低速绕流算例、AS240翼型8°迎角下的转捩算例、AS240翼型19°迎角下的分离流算例进行了模拟,与实验结果比较,得到了比较好的结果.结果表明GAO-YONG湍流方程组能够准确预测翼型前缘层流到湍流的转捩问题,翼型尾迹流动松弛问题和翼型大迎角分离流.     

俯仰振荡翼型推阻力转变滞后机制数值研究

扑翼产生的反卡门涡街被认为是一种推力型尾迹,但已有研究指出,随着斯特劳哈尔数(St)增大,低雷诺数下俯仰振荡翼型的净推力产生明显滞后于反卡门涡街的出现。为探究该现象背后的物理机制,对NACA0012翼型在雷诺数1 000条件下作简谐俯仰运动的流场进行了数值模拟。采用翼型表面积分方法和基于有限控制体的气动力估计方法分别研究了翼面分布力特性和尾迹流场特性变化对阻力-推力转变临界点的影响。翼面分布力积分结果表明,当翼型振荡参数进入对应反卡门涡街尾迹形态区域时,翼面压力分布产生的推力分量无法克服剪切层的黏滞阻力,是造成俯仰翼型推力产生滞后于反卡门涡街出现的主要原因。对尾迹流场及相应的推阻力特性变化的分析表明,尽管反卡门涡街会产生"喷流效应",但在St较小时,其产生的动量诱导推力无法克服反卡门涡自身的涡致阻力和尾迹流场压力损失引入的附加阻力,因此即使存在反卡门涡街也不能产生净推力,进而从流场分析的角度进一步解释了这一滞后现象的发生机制。     

亚声速压气机平面叶栅雷诺数影响试验

采用降低试验压力减小试验叶栅弦长雷诺数的方法,研究了UKG030.3压气机叶型叶片表面和尾迹区域气流随雷诺数、马赫数及攻角变化的流动特性,获得了表面等熵马赫数、总压损失系数等参数随雷诺数的变化规律。试验结果表明：弦长雷诺数减小到一定程度时,叶片吸力面峰值马赫数位置之后会逐渐呈现流动分离气泡产生、分离气泡扩大至分离气泡破碎的过程;长分离气泡出现以后尾迹宽度和叶型总压损失突然急剧增大,但损失突增所对应的临界雷诺数并不一致;叶型总压损失和弦长雷诺数经地面状态参数比值处理以后可以发现,总压损失比突增位置处于0.4倍弦长雷诺数比附近。     

翼型近尾迹流中大尺度涡结构的理论模型

根据流动稳定性理论相干结构的相关理论 ,提出了一种二维波模型来描述翼型近尾迹流动中的大尺度涡结构 ,通过采用对近尾迹流动区域分区处理的方法计算了近尾迹区域的大尺度涡结构。计算所得的流线图 ,涡量分布以及雷诺应力分布具有与实验结果相似的分布规律。说明该二维模型能够较好的描述近尾迹流动中这种大尺度涡结构的运动学和动力学特性      

仿生学覆羽控制翼型流动分离实验

"高效率、低噪声"的飞行特点为猫头鹰披上了一层神秘的面纱.本文根据其翅膀覆羽的仿生学构造,设计了新型的柔性锯齿形旋涡发生器,铰接在NACA0018二维翼型各弦长位置处.通过风洞实验,研究了不同面密度柔性材料的流动分离控制效果.实验中,首先利用高时间分辨率的热线风速仪单点扫掠测量尾流区的流场信息,通过小波变换同时在时域、频域对各个尺度涡包的破碎和掺混过程展开分析,确定湍动能较高的特征测点位置后,利用两根热线探针双通道同时测量,得到不同位置的同步流场数据,通过互相关分析,在时域和频域上得到不同空间位置之间扰动的相关性,并结合CCD高速相机的拍摄结果,研究柔性材料的自适应形变规律与扰流涡之间的关系.实验结果表明:中等面密度的柔性材料控制效果较优,安装在尾缘时可以有效吸收附近34％的湍动能用于自适应地振动和变形;剪切层的上边界向下移动0.05倍弦长,尾缘和前缘剪切层的低频段功率谱密度分别下降了70％和50％,前缘剪切层的大尺度结构被破碎为小尺度结构,具有潜在的降噪效果,两剪切层的相关性在频域上得到显著增强.当旋涡发生器的安装位置向前缘移动时,其在逆压梯度下产生的扰动将向低频段转移,大尺度的扰流涡可以诱导分离泡的上边界下移0.1倍弦长.     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。