等离子体对流动湍动能的控制

在湍流流动中,雷诺应力是一个能够影响平均流动的重要动态量,它可以在很大程度上影响湍流中动能的传输,强烈影响表面摩擦力,对于摩擦阻力和流动的分离起着至关重要的作用。因此,本文的实验目的是:针对后台阶流动,特别设计了能够沿着45°方向形成射流的直角形状等离子体激励器对后台阶流动中的雷诺应力进行控制,同时实现对后台阶流动再附着位置的改变。实验过程中,按照台阶后流向位置0.5 H(H为台阶高度)的自然不稳定性频率对直角形状等离子体激励器的脉冲频率进行调制。使用PIV对台阶后0~2.5 H的区域以及再附着区域进行测量。实验结果表明:在直角形状等离子体激励器开启后,在台阶后0~2.5 H的区域,围绕剪切层及其附近区域的雷诺应力各分量在最大数值上分别增加了42%(流向雷诺正应力),75%(垂向雷诺正应力),46%(雷诺切应力),湍动能产生项在最大数值上减小了35%。在再附着区域,后台阶流动的再附着位置也向台阶的上游发生了移动。     

圆柱尾流中眼镜蛇探针与热线的性能对比

在雷诺数为7200的圆柱尾流中对眼镜蛇探针与热线的测量结果进行了详细对比,主要包括：时均速度、雷诺应力、概率密度函数、自相关函数和能谱等。从对比结果可以发现眼镜蛇探针数据的拒绝率随湍流度增大而增大,但在本实验中其对时均测量结果无明显影响。尽管眼镜蛇探针数据有效率在95%以上,但相对于热线其明显高估了雷诺应力。尤其是主雷诺剪切应力u＊v＊,眼镜蛇探针与热线测量结果的差异要显著大于两者在雷诺正应力上的测量差异。由于无法反映高频随机脉动的影响,眼镜蛇探针所测信号自相关系数的周期性明显强于热线。眼镜蛇探针对速度u和v的响应存在区别,使得两者能谱在惯性子区内有显著差异,不能像热线一样反映出惯性子区内小尺度湍流的各向同性。     

加糙平板湍流边界层紊动特性

本文应用偏振差动式激光测速仪对加糙平板湍流边界层紊动特性进行了研究,得到了紊动强度、三阶矩、四阶矩、概率密度分布、功率谱、自相关等特征量。结果表明,可据高阶矩的符号来对湍流边界层沿垂向进行分区,并给出了分区标准,同时发现,加糙使边界层湍流趋于均匀、各向同性,即概率密度分布更接近于高斯分布。     

肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响研究

为提高凹槽状叶顶气热性能,探究肋条布局对凹槽状叶顶间隙腔室内旋涡的调控作用和降低传热系数与气动损失的作用机制,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ω湍流模型的方法研究了肋条布局对涡轮动叶凹槽状叶顶传热和气动性能的影响。基于GE-E~3涡轮级动叶凹槽状叶顶结构,在叶顶凹槽腔室内沿中弧线等间距设计了全肋条布局、吸力侧半肋条布局、压力侧半肋条结构和凹槽尾缘半肋条结构共4种肋条布局。数值模拟动叶叶顶传热系数分布与实验数据对比,验证了所采用的数值方法和湍流模型的有效性。结果表明:凹槽尾缘半肋条布局的叶顶平均传热系数比凹槽状叶顶结构、全肋条布局、吸力侧半肋条和压力侧半肋条布局分别低了11.3%,3.1%,11.3%和2.8%;压力侧半肋条布局与凹槽尾缘半肋条布局的动叶出口截面总压损失系数相近,比凹槽状叶顶结构、全肋条布局和吸力侧半肋条布局分别减小了1.4%,2.7%和4.0%。肋条布局能够有效降低凹槽状叶顶间隙腔室内的旋涡强度,减少叶片的气动损失;同时上游凹槽腔室强度较弱的旋涡通过凹槽尾缘半肋条布局进入下游凹槽腔室,降低了尾缘区域的传热系数。凹槽尾缘半肋条布局的动叶叶顶具有最佳的气热性能。     

航空发动机内涵喷管裂纹机理分析

为了排除某大涵道比发动机内涵喷管尾缘在试车过程中多次发生的裂纹故障,对裂纹的机理进行了分析,并对内涵喷管进行了断口分析、有限元强度分析、模态及动应力测试分析。结果表明：内涵喷管的裂纹断口为高周疲劳断口。故障位置内、外壁面温差大,温度应力水平高;内涵喷管的结构刚度较低导致其模态密度较大;在工作状态下内涵喷管受气流随机激励作用同时出现多阶模态的振动响应。强度分析表明在动应力和静应力共同作用下,内涵喷管动强度储备不足导致其发生高周疲劳失效。采取改进内涵喷管加强环的结构形式,减小故障位置的温度梯度,增大内涵喷管结构的刚度等改进措施后,内涵喷管经动应力测试和强度分析其动强度储备满足强度要求,经70 h试车验证未再发生类似故障。     

叶顶间隙对高压涡轮动叶应力影响的数值研究

针对叶顶间隙直接影响高压涡轮动叶气动特性及结构可靠性的问题,对不同叶顶间隙下的涡轮动叶进行了气热耦合数值计算.通过对流体域与固体域在物理边界上能量的传递进行耦合计算,揭示了泄漏涡流运动对叶片所受温度、压力分布的影响规律,分析了叶片热应力、气动力变化对结构强度的影响.结果表明:随着叶顶间隙高度的增加,泄漏流速增加,热应力变化明显,叶顶间隙高度在0.3%~3.0%变化过程中,叶片最大等效应力增大2.6%.所得结果可为叶顶间隙控制提供理论依据.     

基于形状改变比能和材料属性离散的焊接残余应力估算

为了提高焊接残余应力测量精度,在2219-T87铝合金TIG焊接接头残余应力测定试验基础上,通过离散接头材料属性并利用形状改变比能对焊接残余应力进行塑性修正,分别研究孔边塑性变形和接头强度不匹配对焊接残余应力估算的影响。结果表明：同时考虑孔边塑性变形和接头强度不匹配因素的焊接残余应力估算方法,比线弹性残余应力计算方法能最大减小39.8%的误差;当测量点距焊缝距离小于8mm时,在考虑孔边塑性变形的情况下,同时考虑接头不匹配的影响相比不考虑其影响可最大减小40.6%的误差;当测量点距焊缝距离大于8mm时,可忽略接头强度不匹配对焊接残余应力估算的影响。     

连续尺度变换方程在稳态及非稳态流动模拟中的应用

为了提高涡粘性假设的湍流模型对于非稳态流动的求解精度,同时兼顾其对于稳态流动的求解性能,将雷诺应力项与连续变换方程(CSSE)结合而形成新的应力项,使其根据流场尺度、网格尺度及Kolmogorov尺度来自动调节当地的应力雷诺应力模化水平,避免网格因素在流场模拟中产生不利影响,改正了混合RANS/LES方法的速度型偏离对数率问题;同时,该方法并未引入显式亚格子模型(SGS),因此回避了亚格子系数确定对于流场模拟精度产生的影响,改善了湍流模型对于流动不稳定性的辨识精度。在湍流平板算例中,CSSE方法计算的边界层速度型精度与雷诺平均方法(RANS)相当,而对于圆柱尾迹的模拟则证明了CSSE方法具有混合RANS/LES方法的优点,即能够准确模拟流动的不稳定性特征。     

基于S-A与SSG/LRR-ω两种湍流模型的CHN-T1标模计算与分析

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,对第一届AeCW-1研讨会上要求的所有工况进行了计算,着重研究S-A湍流模型和雷诺应力模型在CHN-T1标模上的表现,评估两种湍流模型的网格收敛性,对抖振特性的模拟能力以及对雷诺数的敏感性。根据与实验数据的对比分析,得出主要结论如下:两种湍流模型都能趋向于网格收敛,雷诺应力模型的网格收敛更快。在较大迎角的工况,两种湍流模型对机翼上激波诱导的分离流有较大的差别。CHN-T1标模的尾撑,改变了飞机平尾的压力分布,并且在飞机机尾上产生复杂的三维分离流动,对俯仰力矩系数的准确计算产生了较大的影响。考虑静气弹效应,两种湍流模型计算的力矩系数比不考虑静气弹效应更大,雷诺应力模型的偏差更大。在高雷诺数工况,两种湍流模型的计算结果趋于一致。     

爆炸冲击载荷下典型机身结构动响应及破坏

确定满足适航要求的最小风险炸弹位置,必须研究爆炸冲击载荷下机身结构动响应及破坏模式。以某型飞机典型机身结构为研究对象,采用LS-DYNA商用软件,建立了爆炸冲击载荷下机身典型结构动响应数值模型。采用控制变量法分析了爆炸物当量、爆炸冲击距离以及爆炸冲击位置对典型机身结构动响应及破坏模式的影响,同时研究了损伤后典型机身结构的剩余强度。研究结果表明,造成机身结构有效破坏的爆炸物临界当量与爆炸冲击距离密切相关;爆炸冲击距离对典型机身结构损伤及剩余强度影响不明显;典型机身结构筋条位置对剩余强度影响较大。在此基础上,提出了表征剩余强度的无量纲系数,并建立了剩余强度无量纲系数与爆炸物当量及爆炸冲击距离之间的函数关系。     

大气边界层风速竖向相干函数实验研究

采用尖劈、格栅和粗糙元组合的被动湍流发生装置在TJ-2风洞中模拟了大气边界层流场,测量了模拟流场的平均风速剖面,湍流度剖面,湍流积分尺度和脉动风速功率谱等风场特性参数,重点分析了风速的竖向空间相干曲线。针对风速竖向空间相干曲线存在低频“掉头”的现象,给出了修正的指数衰减函数来进行拟合,完善了用传统的简化指数衰减函数来进行拟合时在低频处的不足,结果表明：笔者给出的风速竖向空间相干函数拟合效果更好。     

战斗机垂尾脉动压力数值模拟

在亚跨超计算流体力学（CFD）软件平台（TRIP）上开发了基于RANS/LES混合思路的IDDES流动模拟技术,并通过NACA0021翼型60°大迎角分离流动与串列圆柱绕流模拟对RANS/LES混合方法的精确度进行了验证,针对某战斗机外形的垂尾脉动压力开展了数值模拟研究。战斗机来流马赫数为0.1,基于全机长度的雷诺数为2×10⁶,模型迎角为20°、30°和40°。分别通过脉动压力系数、脉动压力功率谱密度、空间流动结构以及侧向力响应曲线等对战斗机的垂尾脉动压力进行了分析。脉动压力模拟结果表明：当垂尾完全沉浸在边条翼脱体涡破碎后的宽频湍流脉动气流中时,垂尾翼梢位置的脉动压力会发生明显的增大。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

小型轴流压气机静叶排出口尾迹流动特性

基于小型轴流压气机实验台,运用热线风速仪(HWA),对不同转速、流量工况下,静叶排出口尾迹流动特性进行实验研究。对同一工况下尾迹区时均速度及湍流度分布规律的研究表明：受前排动叶的影响,静叶排不同叶展截面处尾迹大小、尾迹中心位置存在着明显差异;沿展向叶根、叶尖附近湍流度明显高于主流区。同时,还对不同工况下静叶排尾迹区各统计参数的变化规律进行了研究,较为系统地总结出轴流压气机工况变化对静叶排出口尾迹大小、尾迹中心位置、尾迹区湍流强度以及雷诺应力大小的影响。     

湍流参数对风扇宽频噪声预测影响

对于现代先进涡扇发动机,占比越来越大的风扇/压气机宽频噪声成为亟需解决的问题。基于三维风扇声源模型,开展了湍流输入参数对宽频噪声预测影响的研究。结果表明:后传声功率级比前传声功率级普遍高5 dB左右;当湍流参数增大时,也会较大幅度改变前传和后传的声功率级,但对频谱形状影响较小;声功率级随湍流积分尺度增大而减小,随背景湍流速度、中心线湍流速度、湍流宽度增大而增大,其中背景湍流速度对宽频噪声影响最大。发现湍流参数通过作用于上洗速度谱来影响宽频噪声预测结果。      

翼型近尾迹流动的PIV研究—运动学特性

利用在线式PIV系统(ParticleImageVelocimetry),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实验研究。实验结果表明,在较高的雷诺数下翼型近尾迹流动是一种以旋涡的运动学和动力学特性为主导的湍流剪切流。在测量范围内,翼型的尾缘处是近尾迹涡街的形成区;尾缘后0.5倍弦长的区域存在类似于卡门涡街的有序结构,是旋涡发展区域,旋涡具有较好的稳定性;距翼型尾缘0.5倍弦长至1倍弦长的区域,是翼型近尾迹流动由有序走向无序区域,旋涡开始破裂。翼型表面边界层对翼型近尾迹湍流剪切流的演化有重要影响。实验结果还给出了近尾迹流动的平均速度、湍流强度和剪切应变变化率,以及速度脉动量的二阶关联量u'u',u'v'和v'v' 的分布。      

用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡—液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型，模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡－液体湍流两相流动，给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布，基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的上湍流，气泡湍流脉动比液体的强，以及气泡体积分数和两相湍流强度随着气体表观速度的增大而增大等规律。     

吹吸扰动控制猝发过程中雷诺应力的实验

采用热线测速技术和双丝边界层热线探针,在风洞中以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了平板湍流边界层施加不同频率周期性质量引射前后,不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号.采用流向脉动速度局部平均结构函数模极大值法检测了壁湍流猝发过程中拟序结构不同速度分量和雷诺应力分量的条件相位平均波形.发现在扰动源下游一定范围内,摩擦因数和雷诺应力幅值有所减小,扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差,使其保持在π/2的奇数倍左右,此时雷诺应力几乎为0,改变了湍流边界层原有雷诺应力的产生和扩散输运机制,抑制了湍流雷诺应力的产生和输运.      

Hover performance of helicopter main and tail rotors with swirl velocities

It is important to quickly predict the hover performance of main and tail rotors with sufficient precision for helicopter design. To investigate the effects of swirl velocities on the hover performance of main and tail rotors, and give a better prediction for the hover performance, a flight performance model was derived and a swirl velocity model was coupled into it. The test data of the UH-60A helicopter were used for validation. When the blade loading coefficient of the main rotor was higher than 005, the effects of the swirl velocities on the main rotor power became significant. The swirl velocities increased the profile torque of the main rotor. The increased torque required the tail rotor to produce more thrust with more power consumption. At a higher blade loading coefficient of the main rotor of 012, the swirl velocities increased the main rotor power, tail rotor power and total power by 380%, 524% and 508%, respectively. The profile power increase of the main rotor caused by the profile swirl velocity was less than that of the induced swirl velocity, but the power increase was higher at high rotor blade loadings. Considering the swirl velocities in the main rotor can improve the prediction precision of the hover performance, especially at high blade loadings