瑞利-伯纳德热湍流中的多湍流态现象

热湍流现象是自然界以及生产生活中很普遍的现象,它源于温差导致的密度差引起的自然对流。瑞利-伯纳德（Rayleigh-Bénard,RB）热湍流系统是从众多自然现象、工程实际中抽象出来的研究热湍流的经典流体力学模型系统。在过去的几十年间,瑞利-伯纳德热湍流系统被广泛用来研究湍流热输运、流动结构演化等特性。最近的研究发现即使在相同的控制参数下,RB热湍流系统中的大尺度流动存在不同的湍流态（结构）,且不同的湍流态对应着不同的热输运效率。因此,理解不同的湍流态（结构）的产生机制有助于调控系统的热输运效率。本文就RB热湍流系统中的多湍流态现象,着重评述近年来的若干研究新进展,并对今后的研究工作进行展望。     

发动机燃烧室内壁材料热环境的气动热试验模拟技术研究

利用超声速矩形湍流导管和等离子电弧加热器模拟了发动机燃烧室内流和高超声速飞行器外壁面外流热环境,进行了平板表面冷壁热流测量和燃烧室内壁材料考核试验。结果表明:由于辐射换热的影响,在选取的两个典型来流条件下,发动机燃烧室内流热环境下的冷壁热流比外流热环境下的高出21%和40%,但是冷壁热流的增量基本相当,约为0.70～0.80MW/m2。随着冷壁热流的增加,辐射换热产生的热流增量的影响力会逐渐减小。材料考核时,相同配方的C/SiC复合材料在内流热环境下的表面温度高出约400℃,背面温度高出约90℃,这种差异对于发动机燃烧室内壁面材料考核至关重要,必须在材料考核试验中加以考虑。     

内流热环境的热流模拟方法

对内流热环境的热流测量方法进行了试验研究和模拟,对比分析了内流热环境与外流热环境的不同.采用超声速矩形湍流导管试验技术,利用等离子电孤加热器进行了内流与外流热环境的表面冷壁热流测量和材料考核试验.结果表明:在来流条件相同的情况下,与外流热环境下的测量值相比较,内流热环境下的冷壁热流值高出40%多,相同材料的背面温度高出400℃.通过直接测量的冷壁热流换算得到的热壁热流值却不到外流热环境下的热壁热流值的50%.因此,进行发动机防热设计时,必须进行材料考核试验,必须考虑材料的使用热环境,否则对材料的烧蚀性能的评估影响很大.     

一种应用分裂热膜测量带回流复杂湍流的方法

 给出一种用分裂热膜测量二维非定常湍流流动的方法。提出了两种新的数据处理算法并说明了其在计算精度和其它方面优于现有的数据处理算法。这一方法被成功地应用于对一准二维扩压器内的复杂湍流分离流动的测量。结果表明分裂热膜是测量研究带回流的复杂湍流分离流动的有力工具。     

平面预混滞止火焰冷态流场湍流特性研究

 本文建立了预混滞止火焰燃烧实验装置,采用激光多普勒测速方法,对平面预混滞止火焰的冷态流场的湍流特性进行了流场相干测量并展开了分析。通过对射流轴线上的湍流度进行测量发现,靠近滞止板的绝对湍流度呈现加速上升的趋势。采用多点相干速度测量的结果表明,靠近滞止板的湍流积分长度尺度逐渐降低。经分析,是由于滞止流动轴线上的流线受到压缩而产生的结果。该实验结果和数据处理方法为将来的热态实验提供了基础数据和技术支持。     

展向旋转平板Couette湍流中的多态现象

展向旋转平板Couette湍流(Spanwise rotating plane Couette flow,RPCF)是旋转壁湍流的标模问题之一,在过去的几十年里,被广泛用来研究旋转对壁湍流的统计和流动结构的影响。近些年,作者及其合作者就该问题开展了一系列直接数值模拟研究工作。该研究不仅发现了旋转在低旋转数和高旋转数时对流动结构和统计的不同影响,还首次在RPCF中发现了多湍流态现象:即在相同的控制参数下,流动可以处在两种不同的湍流态上,这两种不同的湍流态的流动结构和湍流统计差别显著。还发现该多态现象可以在很大的旋转数范围里存在。进一步分析大尺度二次流在不同态的能量传输中的作用,发现在二次流较弱的流态下,二次流起的作用相对较小,能量很大一部分直接从平均流传到剩余场;而当二次流较强时,二次流起到一个能量传输纽带作用。该分析也从侧面验证了大尺度结构在多态现象中占据重要地位的猜想。     

槽流的亚临界转捩与局地湍流

在中低雷诺数时,处于线性稳定的槽道流若受到强扰动可发生亚临界转捩变为湍流。近年人们对该类转捩机理的研究取得重要进展。对于平板泊肃叶流,亚临界转捩之初是稀疏湍流态,其特征结构是远间隔的包含小尺度涡和高低速条带的大尺度的湍流带,可倾斜伸长。该阶段的湍流占比有上限但并非雷诺数的单值函数。随着雷诺数的增加转捩进入平衡局地湍流态,即存在统计定常态,其湍流占比是雷诺数单值函数,可由定向逾渗模型描述。进一步增加雷诺数,湍流带的分裂愈发频繁,最终流场会布满湍流带,在更高的雷诺数时变为均匀湍流。论文概述了为比拟亚临界转捩过程所提出的动力学模型,以及为定量表征管流、平板库艾特流和平板泊肃叶流转捩过程的相似性所提出的局地稳定性参数,并在最后对槽道流亚临界转捩研究的发展做了简要展望。     

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

导弹发射筒防热材料气动热冲击试验

利用电弧加热器湍流导管试验装置模拟导弹发射过程中发射筒内壁防热材料所经受的热环境,对导弹发射筒内壁所使用的三种不同防热材料进行了高压、高温气动热冲击试验研究.结果表明:橡胶材料综合性能优于陶瓷编织材料和玻璃布编制材料,更适合于作为发射筒内壁防热材料使用.     

底面局部加热条件下热湍流的流场变化及传热规律

在实际的自然对流现象与工业对流换热设备中常常存在非均匀热边界问题,底面局部加热就是其中的一类.本文使用直接数值模拟方法研究了Pr?=?2、Ra?=?1×108条件下,加热长度l?=?0.5时,不同加热位置对二维方腔内热湍流流场变化及传热规律的影响.其中,下壁面为恒温加热及绝热条件共存的混合边界条件,而上壁面依然为等温条...     

湍流输运的张量系数模型

实验表明,除均匀各向同性湍流之外,由湍流脉动引起的标量的输运都是各向异性的,且平均量梯度与湍流输运通量之间有一夹角。因此,在用梯度准则模拟湍流输运时,其输运系数应是一个二阶张量。本文推出一个张量形式的输运系数计算公式,并用它分析均匀各向同性湍流、有应变率的均匀剪切流、管内流动和二维平面射流中的热通量问题,均获得了满意的结果。     

在三维湍流边界层中摩擦应力的测量研究

本文给出了V形壁面热膜测量物面摩擦应力的方法研究。实验表明该技术对三维湍流边界层中的摩阻测量是一类有效的方法。从本实验的数据可以看到,壁面热膜在二维湍流边界层中得到的校测函数能够直接用于三维湍流边界层的摩擦应力测量。     

来流湍流度及端壁效应对涡轮叶片上对流换热的影响

利用大尺寸低速开式叶栅风洞对涡轮叶片表面的对流换热进行了实验测量,叶片高度方向布置了3个测量位置,距端壁距离分别为5mm,30mm及150mm.重点对比研究了高来流湍流度、端壁效应及来流雷诺数对涡叶片中部及根部区的过渡起始点、过渡区长度及换热的影响。实验参数范围是:来流湍流度Tu=0.75～13.5%,来流雷诺数Re=60000～240000.      

激光测速测量湍流分离-再附流动

 <正> 湍流边界层分离研究是当前流体力学中难度极大的课题。有关的试验比较罕见,其重要原因是接触式测速技术对流场有干扰且无方向敏感性,因而难以获得可信数据。激光多普勒测速(LDV)作为非接触测速技术,可以有效地测量间歇反流特征,因此越来越多的研究者倾向于应用LDV研究湍流分离流。迄今为止,应用LDV对分离流的研究一般侧重于分离过程。对整个湍流分离-再附过程进行完整的测量尚不多见。本试验采用二维LDV系统详细地测量了二维非对称曲壁扩压器内的湍流分离-再附流动。     

大湍流度对超低雷诺数下翼型受力及绕流的影响

实验测量了超低雷诺数(Re=5 300)下 NACA 0012翼型在自由来流下的升力系数和阻力系数,重点研究来流的湍流度对升力系数和阻力系数的影响,并进一步通过对翼犁流场的研究揭示湍流度对翼型受力产生影响的机理.结果显示,低湍流度下升力系数和阻力系数均无失速特征;当湍流度提高,升力系数和阻力系数在12°～15°迎角下表...     

高湍流度对平板边界层传的热影响

在雷诺数为１０６—１０７之间对０．１％—２５％湍流度的自由来流流过平板边界层传热问题进行了实验与数值研究。实验是在吸入式风洞内进行，用自由来流冷却加热平板，自由来流的湍流度可高达３０％。计算模型针对二维定常流，采用代数应力（热流）湍流模型，用ＳＩＭＰＬＥ算法进行计算。结果表明：高湍流度自由来流可使平板的平均Ｓｔａｎｔｏｎ数增加８５％。     

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

可压缩流湍流度变热线过热比测量方法

开展了可压缩流中湍流度测量技术的研究,以满足高速风洞高精度试验能力的需求。以对流换热规律为基础,从理论上对可压缩流中热线金属丝热平衡关系式进行了推导,以此为基础,详细推导了恒温热线风速仪的响应关系式,得到了质量流量和总温灵敏度系数的显式表达式,建立了可压缩流中湍流度的求解方法。在马赫数为0.3~0.6范围内进行了湍流度测量试验,以响应关系式为数学模型,利用双曲线拟合方法对试验数据进行了拟合分析,求解得到了马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.3%~0.6%。对热线输出电压进行了频谱分析,根据频谱特性,利用低通滤波对频域信号进行了处理,有效降低了时域信号脉冲尖峰对湍流度求解的影响,滤波后求解得到马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.1%~0.3%,与前期测量结果相符。试验结果证明了所建立理论方法的正确性及利用恒温热线风速仪变过热比方法测量可压缩流湍流度的可行性。     

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.