基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化

将熵产理论引入翼型的多目标气动优化设计,通过理论推导湍流流场熵产率计算公式,进而阐述熵分析方法在翼型气动优化中的作用。通过CST参数化方法对翼型进行参数化建模,并将多目标优化算法与CFD计算耦合起来,计算翼型升阻比和流场熵产率,建立一种以最大升阻比和最小熵产率为目标的翼型优化方法,进而得到优化翼型的Pareto解,并与传统翼型优化方法进行对比。与初始种群相比,优化翼型具有更优的气动性能,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。采用多目标遗传算法得到的非支配解集分布均匀,质量较高,设计者可以根据设计需要选择具有相对低熵产的一组翼型来改善空气动力性能。结果分析表明,本文所建方法具有较强的全局收敛性,具有一定的工程应用前景。     

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.      

基于对流换热的低温空化流动数值模拟研究

为了考虑低温介质的热力学效应对空化发展的影响,基于气泡表面对流换热平衡建立了温降与气泡生长的关系,引入夹带理论估计了对流换热系数,并对一种输运型空化模型进行修正,将修正后的空化模型以二次开发的形式嵌入至商业软件中,同时引入能量方程源项以及物性参数随温度变化关系,对二维翼型表面空化流动进行数值仿真,通过与实验结果的对比,发现计算结果与实验结果符合较好,修正后的空化模型能够更好地预测空化区内温度的分布,最大温降偏差由62.18%降低至7.14%,平均温度偏差由0.59%降低至0.28%。考虑热效应之后,空化区主要由气液混合组成,来自主流的液体一部分经对流传递至空化区,一部分在翼型头部和气液界面处发生空化形成蒸汽,导致空化区气相体积分数显著减小,空化区与主流之间的界面变得模糊,最大温降和压降均发生在翼型头部位置。     

基于正交优化设计的诱导轮空化性能研究

为了研究不同结构因素对诱导轮空化性能的影响及主次顺序,基于正交优化设计,采用数值模拟的方法,通过诱导轮可视化试验进行验证,对某型诱导轮及其改型进行了分析。仿真计算得到的不同空化数下空穴形态与实验结果吻合较好,断裂空化数的计算结果与实验结果误差为0.3%。仿真及实验结果表明,诱导轮发生扬程断裂不仅与空穴区占流道体积的大小有关,还与空穴区在流道中分布的位置有关,空穴区位置越靠后,越容易发生扬程断裂;对诱导轮空化性能及水力效率影响最大的结构因素为入口安放角,其次为入口修圆包角;入口等螺距段长度和变螺距段长度较小时可以提高诱导轮的空化性能。     

基于SST湍流模型的二维操纵面空化流场研究

操纵面是安装在超空泡航行器尾端的关键部件,它的基本功能是提供稳定力矩和操纵力矩。文章基于k-ω模型的SST(剪切应力输运)湍流模型,对典型二维操纵面的空化流动进行数值模拟,根据空化流仿真计算的结果,得到了超空泡外形、阻力特性以及升力特性的变化规律,并与水洞实验进行对比。研究结果表明,仿真结果能够很好地与水洞实验保持一致,说明所采用的湍流模型和数值方法能够准确预报空化流问题,为进一步研究空化流问题提供了一定的参考依据。     

绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究

采用高速全流场显示技术和动态应变式测力系统实验研究了绕平头回转体的非定常空化流动及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕平头回转体的空穴形态,应用自编软件对图像进行处理获得了空穴尺度随时间的变化,测量了所受到阻力,并对空穴尺度和阻力信号的时域与频域进行了分析,得到了平头回转体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明：在各个空化阶段,空穴尺度及其对应的动力特征均呈现明显的非定常特性。在空化数较大时（σ=1.05～1.20）,仅在回转体头部后端区域存在不稳定的空泡脉动区域,此时,由阻力系数得到的时频信号呈无规则的波动;当空化数降至0.75以下时,出现了大尺度空穴断裂与空泡团脱落现象,捕捉到了绕平头回转体空泡的非定常周期性脱落过程和典型特征频率。绕回转体阻力系数曲线随着空化数的减小波动幅度不断加大,并且空穴尺度和平头回转体所受阻力主频随之发生改变,特征频率逐渐显现,并且形态特征频率与动力特征频率存在高度的相关性。     

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化（附着空化和泄漏涡空化）为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明：自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。     

基于CFD数值模拟的拉瓦尔喷管流场分析

结合一维等熵管流理论,采用CFD方法对某型拉瓦尔喷管典型工作的流场进行整场数值模拟,阐述了网格生成,流场初始化,以及RNG湍流模型使用方法,并对拉瓦尔喷管工作特性进行了气动分析。研究表明,CFD计算结合一维管流理论能明显提高计算效率,数值计算结果与理论相符较好。     

熵产控制体方法对压气机近零间隙流动损失的演变规律

以澄清近零间隙流动结构及流动损失随间隙的变化规律为目标,提出熵产控制体分析方法,可精确量化流场任意位置的局部不可逆损失.数值模拟发现,间隙在0.4%叶高范围内(称近零间隙)效率水平最高且出现一对应峰值效率最高的最佳非零间隙.熵产控制体分析表明:通道内总熵产随间隙变化规律与效率一致;间隙变化对动叶端区20%~80%弦长范围内的熵产改变最为明显,主导了总熵产的变化;间隙变化时熵产改变的流动区域不同,这是由于动叶端区主导损失的流动结构发生改变造成的.进一步结合流场结构,探讨近零间隙流动损失演变的可能原因:间隙为零时壁面剪切力是造成损失的主导因素;最佳间隙时流动均匀,损失最小.      

端板对叶梢负载桨空化性能影响数值分析

为了探究端板对尾流收缩叶梢负载（CLT）桨空化性能的影响,本文基于Star-ccm+软件对CLT(Contracted and Loaded Tip)桨P1727的端板变参数模型进行了空化计算,计算采用DDES湍流模型和Schnerr-Sauer 空化模型,通过对E779A标准模型桨进行计算,验证了该方法的有效性。研究表明：桨叶表面空化区域与低压区域基本一致,空化区域的范围与推力损失程度呈正相关变化趋势;在端板有效抑制梢部绕流的情况下,端板长度和宽度对CLT桨的敞水性能和空化特性影响微弱;端板倾角对敞水性能和空化特性影响较大,倾角越大,推力和扭矩越大,空化发生时推力衰减程度越大。     

盘腔进气位置对径向预旋系统的影响

为减少径向预旋系统的流动损失,运用数值模拟方法对不同盘腔进气位置的径向预旋系统进行分析,结果表明:随着盘腔进气径向位置的增加,预旋喷嘴出口气流旋流比随之逐渐减小,径向预旋系统的温降系数及总压损失系数均随之逐渐增大。当旋转雷诺数等于7.9×106,盘腔进气位置由低位向高位变化时温降系数最大可增加525%,同时总压损失系数增加3.93%。径向预旋系统内比熵增主要发生在预旋喷嘴和共转腔,约占系统总体比熵增的80%。随着盘腔进气径向位置的增加,径向预旋系统总体比熵增降低,预旋喷嘴比熵增占比逐渐增大,共转腔比熵增占比逐渐减小。     

不同来流附面层厚度下容腔泄漏流对围带式静叶性能影响

基于验证的数值模拟方法，针对带容腔结构的围带式静叶，研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的来流附面层厚度下，探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况，并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明：附面层厚度的增加使无容腔扩压叶栅总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡，并对通道涡的发展和集中脱落涡的大小产生影响；同时容腔泄漏流加强了叶栅通道内的三维流动效应，削弱了近端壁面流体的横向偏转；随着附面层增厚，带容腔的扩压叶栅的总压损失系数和熵增损失系数变化程度不明显。     

凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型冷态流场试验

利用粒子图像测速仪(PIV)对凹腔驻涡与支板稳焰组合加力燃烧室模型进行冷态流场测量,获得该加力燃烧室流场的变化规律和压力损失的变化情况.试验结果表明:随着偏转角(5°~17°)的增大,支板稳定器的整流效果变差,得到的流场的均匀性变差;随着进口马赫数(0.18~0.30)的增加,凹腔内旋涡结构变得完整,从凹腔出来的气流沿径向支板稳定器的穿透能力增加.气流在支板稳定器后形成了低速区回流区,随着进口马赫的增加,回流区的宽度有所增加;加力燃烧室的总压损失随进口马赫数的增加而增大,较常规V型稳定器的总压损失大.      

预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究

为了降低低位进气预旋流路的气动损失,针对带有不同径向角度（0°~30°）预旋喷嘴的预旋系统进行了数值仿真,并对流动特性、温降特性和比熵增特性进行了分析。结果表明:随着预旋喷嘴径向角度的增大,预旋系统无量纲温降先增大后减小,流动阻力减小,预旋系统的流量随之增大。旋转雷诺数为2.3×107时,预旋喷嘴带径向角度的预旋系统无量纲温降比传统喷嘴最大可提高18.3%,存在某一角度使预旋温降特性达到最好。预旋系统内的耗散主要发生在预旋腔和共转盘腔内,径向角度为10°时其比熵增变化量分别占整个预旋系统总体比熵增的42.4%和30.2%;合理设计预旋喷嘴的径向角度,能改善预旋腔内气流的流动效果,并且可以减少整个预旋系统的不可逆损失。      

低雷诺数下协同射流关键参数对翼型气动性能的影响

协同射流是一种高效的新型主动流动控制技术,至今缺乏关键参数对翼型气动性能影响规律的系统研究。通过引入螺旋桨激励盘模型,发展了一种新的协同射流翼型流动模拟方法,使得射流反作用力计算更符合实际。在低雷诺数条件下,以NACA6415为基准翼型开展了射流动量系数、开口尺寸和位置等关键参数对翼型气动性能的影响规律研究,并探讨了相应的物理机制。结果表明：大迎角分离流状态下,射流动量系数对翼型气动性能的影响规律比小迎角附着流状态更复杂;随着吹气口尺寸增加,气泵功率系数先减后增,有效升阻比先增后减;随着吸气口尺寸增加,气泵功率系数逐渐减小,有效升阻比先增加后趋于平稳;吹/吸气口位置对翼型气动性能和气泵功率系数的影响很小。     

等离子体气动激励抑制翼型失速分离的仿真研究

通过求解表面放电的二维流体体力模型,建立了翼型等离子体流动控制的数学模型,得到等离子体气动激励诱导的体力和热量分布,与Navier-Stokes方程耦合求解.进行了低雷诺数条件下,等离子体气动激励抑制NACA0009翼型失速分离的数值仿真研究,研究了等离子体激励的强度、激励电极数目和激励位置对流动分离抑制和翼型升阻特性的影响.在雷诺数为58000、攻角为24°的情况下,施加等离子体激励后,升力系数由0.7449增大到1.2404;阻力系数由0.4012减小到0.3503.      

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象。实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态,并测量了水翼所受的升阻力。利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征。结果表明：在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点。在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化。     

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。