超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景,采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,采用高精度WENO格式进行空间离散,并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致,来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构,并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析,揭示了流场结构特征及其时空演化规律,并获得了流场密度脉动特性。      

高对流Mach数三维混合层转捩特性分析及小激波结构模拟

采用空间大涡模拟方法对超/超混合、超/亚混合两类三维可压缩平面混合层转捩及其全湍流流场进行了研究,认为混合层动量厚度饱和点可作为流场转捩完成的标志.计算所得到的线性扰动波激励下流场转捩拟序结构与随机扰动下自然失稳结构以及文献结果进行了比对,其结果是一致的,表明了引入线性扰动激励来研究流场转捩结构是合理的.同时,本文还在较高对流Mach数流动下得到了三维流场动态小激波结构,其分布具有非对称特性,且形状与实验及直接数值模拟结果相似.不同条件混合层转捩计算表明:高对流Mach数下混合层转捩以Λ涡结构的形成和发展为主导机制,受扰动及对流条件的影响Λ涡结构不尽相同,某些情况下流场出现二维与三维涡结构共存现象.充分发展湍流区域,流场脉动速度分量量级相同,湍流压缩效应随着对流Mach数提高而明显增强.     

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律,采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先,通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性,并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后,讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响,数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致,且均与已有实验和数值模拟结果相符;而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后,通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响,研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动,同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析,给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析,计算结果与理论及实验吻合。     

基于LES方法的平板非定常激波/湍流边界层干扰研究

以高超声速发动机进气道湍流分离控制为应用背景,采用大涡模拟(LES)方法进行马赫数为3.0(唇口附近马赫数约为3.0)的激波/湍流边界层干扰(SWTBLI)流场机理研究.利用扰动循环引入的方法,先得到充分发展湍流场,然后根据斜激波关系式引入激波的方法进行激波/湍流干扰模拟.研究结果显示:充分发展湍流场在激波作用下产生逆...     

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

三维效应对超声速湍流燃烧流动大涡模拟的影响研究

本文对空间发展Mac=0.61超声速湍流燃烧混合层流动开展了二维/三维大涡模拟（LES）研究,探讨了三维效应在超声速湍流燃烧流动的大涡模拟中的重要性。研究发现,相较于三维LES计算结果,二维LES大幅低估了超声速湍流燃烧混合层的增长率,湍动能的二维LES结果显著偏大而雷诺剪切应力显著偏小。因而,二维LES难以准确模拟超声速湍流燃烧混合层的增长率和湍流脉动特性。二维流动中漩涡拉伸、压缩机制失效,致使二维LES的漩涡结构与三维LES结果显著不同：二维LES计算所得流场呈现清晰的旋涡生成、发展、并对和破碎等演化现象,而三维LES的湍流结构呈不规则状。湍流与燃烧间存在强烈的耦合相互作用,由于二维LES难以准确模拟湍流特性,燃烧场进而在二维LES下呈现一系列特殊的、不同于真实燃烧流动情况的数值现象。漩涡运动带动燃料和氧化剂掺混,掺混界面为火焰前锋。由于漩涡结构不同,致使二维LES的火焰前锋面面积不同于三维LES结果,导致其难以获得准确的燃料效率,最终导致二维LES计算获得的统计平均火焰温度显著偏低。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

侧向控制喷流干扰流场特性数值研究

侧向喷流是导弹在中高空进行姿态控制的重要手段.本文用数值方法求解N-S方程,模拟了二种带侧向喷流控制的喷流与绕流的干扰流场.通过定性流场结构和物面压力分布与实验结果的比较,数值模拟能较好地模拟侧向喷流与外流干扰产生的复杂流场特性.给出了合理的流场结构和干扰气动力特性,表明数值方法可以作为型号侧向喷流控制设计的研究手段.     

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

不同结构的冷却管脉冲射流流动响应特性

探究了结构参数对脉冲射流经冷却管内流动响应规律.在脉冲频率为1Hz,雷诺数为5000,脉冲射流占空比为50％的气动参数下,对冷却管管径、射流孔孔径、孔间距的变化对脉冲射流流动响应特性带来的影响依次分析,对结构参数对脉冲射流在冷却管内流动响应特性产生影响的内在机制进行综合阐述.针对上述结构参数拟合出冷却管射流质量系数随冷...     

DNS/LES方法在剪切湍流模拟中的应用

提出采用DNS/LES混合方法进行自由剪切类混合流动湍流研究,该方法兼顾了直接数值模拟(DNS)方法在转捩线性范围内的高精确度模拟和大涡模拟(LES)方法在转捩非线性及全湍流区的高效模拟两方面优点,通过对低对流Mach数流场计算表明该方法可以较好地模拟流场的转捩过程.同时,文中还对比实验分析了湍流场对光学传输效应的影响,给出了与实验一致的结论.     

高度欠膨胀声速射流的自相似特性

构建了高压气体射流模型和高分辨率的计算网格,对喷压比（NPR）为5.60、流动雷诺数Re为105量级的高度欠膨胀射流进行了三维大涡模拟（LES）计算.讨论了时均的射流近场结构,发现大涡模拟成功捕捉到了高度欠膨胀射流近场的典型波系结构,并与文献结果吻合较好.研究着重定量考察流向速度和氮气质量分数的分布规律,以揭示高度欠膨胀射流的自相似特性.结果表明:在射流核心区之后,不同流向位置上流向速度和氮气质量分数沿径向的分布呈现出与亚声速射流类似的自相似特性.但射流流场开始呈现自相似的位置仍然为超声速,这是高度欠膨胀射流自相似特性的独有特征.提出了高斯拟合公式,在靠近和远离射流中心线的区域内均可较好地表征射流的自相似特性.此外,还考察了射流剪切层的发展特征,比较了计算得到的射流剪切层增长率与先前实验测量结果的差异,并分析了其中可能的原因.      

Isothermal study of effusion cooling flows using a large eddy simulation approach

An isothermal numerical study of effusion cooling flow is conducted using a large eddy simulation(LES) approach.Two main types of cooling are considered,namely tangential film cooling and oblique patch effusion cooling.To represent tangential film cooling,a simplified model of a plane turbulent wall jet along a flat plate in quiescent surrounding fluid is considered.In contrast to a classic turbulent boundary layer flow,the plane turbulent wall jet possesses an outer free shear flow region,an inner near wall region and an interaction region,characterised by substantial levels of turbulent shear stress transport.These shear stress characteristics hold significant implications for RANS modelling,implications that also apply to more complex tangential film cooling flows with non-zero free stream velocities.The LES technique used in the current study provides a satisfactory overall prediction of the plane turbulent wall jet flow,including the initial transition region,and the characteristic separation of the zero turbulent shear stress and zero shear strain locations.Oblique effusion patch cooling is modelled using a staggered array of 12 rows of effusion holes,drilled at 30° to the flat plate surface.The effusion holes connect two channels separated by the flat plate.Specifically,these comprise of a channel representing the combustion chamber flow and a cooling air supply channel.A difference in pressure between the two channels forces air from the cooling supply side,through the effusion holes,and into the combustion chamber side.Air from successive effusion rows coalesces to form an aerodynamic film between the combustion chamber main flow and the flat plate.In practical applications,this film is used to separate the hot combustion gases from the combustion chamber liner.The numerical model is shown to be capable of accurately predicting the injection,penetration,downstream decay,and coalescence of the effusion jets.In addition,the numerical model captures entrainment of the combustion chamber mainstream flow towards the wall by the presence of the effusion jets.Two contra-rotating vortices,with axes of rotation along the stream-wise direction,are predicted as a result of this entrainment.The presence and characteristics of these vortices are in good agreement with previous published research.