分离流、涡运动及流动控制——纪念陆士嘉先生逝世20周年

本文概述了分离流、涡运动和流动控制方面近年来的研究进展和我们所开展的一些研究试验工作.对流动控制的方法和机理也作了简要的一般性讨论.     

高超声速喷管三维热化学非平衡流场的数值模拟

利用数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程的方法和多块网格技术,数值模拟了典型高焓激波风洞锥型喷管的三维非平衡流场,分析了热化学非平衡效应对喷管流动的影响,给出了平动温度、组分N2和O2振动温度、马赫数和组分质量分数在轴对称线上的分布,也给出了喷管出口附近的速度和温度沿径向分布等结果,获得了喷管流场的详细信息,并与已经存在的采用轴对称Navier-Stokes方程计算的结果,进行了比较,二者吻合得很好.计算结果表明:目前的代码是可以模拟多块结构网格下的热化学非平衡流动的.     

PP／EPOXY合金结构和性能的研究

在聚丙烯PP基体中加入少量环氧树脂EP、固化剂及反应增容剂PP-g-MAH,通过反应共混,制备了PP/EP合金。采用扭矩流变仪研究环氧树脂在PP熔体中的固化行为并用偏光显微镜观察合金等温结晶形态,测量了合金的熔融指数和样品与水的动态接触角,最后对合金的力学性能进行测试。研究结果表明：当共混时间t=10-15min时环氧树脂发生凝胶化使相应扭矩值增大并开始交联,之后进入后期固化阶段;PP中加入环氧树脂后,环氧树脂的交联阻碍PP的结晶,并且材料的亲水性提高使前进角如和后退角阱降低;在合金中随着环氧树脂含量的增加熔体流动性下降;此外,环氧树脂的加入提高了材料的杨氏模量;随着环氧树脂含量的增加,PP／EP／PP—g—MAH合金的拉伸强度缓慢上升并且其断裂伸长率和缺口冲击强度也高于PP/EP合金。     

多股自耦合射流相干流动和换热特性数值研究

采用数值模拟的方法对多股自耦合射流在相干条件下的流动和换热特性进行了研究.研究结果表明:三股自耦合射流都在出口附近耦合成一股射流向下游运动,两侧的射流受到中间一股射流的卷吸融合在一起,融合后仍然是一股沿中心线对称的自耦合射流.在短轴中心截面自耦合射流型面较宽,射流喷出后在下游的扩展角度大,而长轴中心截面射流的型面较窄,扩展角度较小.在冲击靶板上,整个冲击区域呈现出中心温度最低的近似圆形的对称性分布,对流换热系数曲线呈现出中心对称的波峰分布形状,表明自耦合射流驻点区换热最强.对流换热系数沿靶板不同方向的分布趋势基本保持一致.      

低雷诺数下跨声速压气机转子失速工况时流动失稳触发过程研究

采用非定常数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流动失稳机制.结果表明,随着压气机失速工况的推进,附面层径向涡不断扩大和增强,由附面层径向涡引发的叶顶附面层分离阻塞区不断向叶片前缘移动,直至与叶顶压力面前缘附近由激波和间隙泄漏流诱发的阻塞区相结合,使叶顶通道来流完全被阻塞,最终触发压气机流动失稳.      

前掠翼融合体无尾布局流动控制技术

通过风洞试验研究了前掠翼融合体无尾气动布局（FBB布局）的流动控制技术。研究结果表明,FBB布局设计使前掠翼的前缘涡与融合于机体的大后掠侧缘的侧缘涡的发展过程达到了较为理想的匹配,有效控制布局的流动是FBB布局获得突出纵向气动性能的主要物理根源。针对大迎角状态提出的两段可动式侧板流动控制技术,通过可动段与固定段前缘之间形成收缩型缝道,将机身下表面的高能气流引入上表面增强了机体侧缘涡,加强了对机翼根部和后体流动的控制、减缓机翼根部分离、控制机头分离区,既可提供俯仰控制力矩,又不损失升力,改善了失速特性,有利于FBB布局的纵向配平和俯仰控制。FBB布局的流动控制设计思想和两段可动式侧板控制技术为无尾布局飞机设计提供了一条崭新的思路。     

逆流矢量喷管流动自身导致的非定常现象

基于数值方法,研究了逆流推力矢量喷管中由于流动自身导致的非定常现象。结果表明,当抽吸背压下降至某个范围时(50.66~60.8 kPa),主流在接近外套壁面的某个位置处呈现出周期性振荡,流动参数(抽吸二次流量、推力矢量角、合成推力系数)也以小振幅振荡,但是同向二次流量却没有振荡。深入的流动机理分析表明,此时在逆流剪切层中,分离涡周期性地形成和发展,没有呈现出流动失稳,同时剪切层中的速度比又远大于定常流动下的值,因此流动表现为自激振荡特征。     

二维翼型微吸吹气减阻控制新技术数值研究

结合抽吸气转捩控制和微吹气湍流减阻控制的特点,探索了一种新的吸吹气减阻控制技术。使用Fluent求解器,并利用用户自定义函数(UDF)二次开发对其自带的Wilcox转捩模式进行了修正。在此基础上,数值研究了吸吹气控制对翼型阻力性能的影响。结果表明：在一定的吸气量范围内,吸气、吸吹气控制都能使翼型总阻力减小,且在同一雷诺数下,吸气控制能使翼型总阻力减小约3%,而吸吹气联合控制使翼型总阻力减小约16%。由此可见,吸吹气控制技术是一种行之有效的减阻控制技术。     

间距对凹坑强化传热和流动阻力的影响

对矩形通道内的球面凹坑壁面进行了传热系数和流动阻力测量,研究了通道Re数和凹坑间距的影响.无量纲流向间距分别为1.5,1.2和0.8.实验发现凹坑面上局部Nu数沿流向和横向变化剧烈.与光滑壁面相比,凹坑面的平均换热增强45%左右,流动阻力增大92%左右,平均综合传热性能增强16%.减小凹坑间距使流动阻力增大,平均换热和平均综合传热性能进一步增强.数据显示Re数对凹坑壁面的换热增强和流动阻力增大的影响相对较小.      

考虑转捩的跨声速气冷涡轮叶片气热耦合计算

为了研究转捩对气热耦合计算的影响,在B-L代数模型与SST(shear stress transport)k-ω二方程模型的基础上,增加了两类基于间歇因子的转捩模型:代数AGS(Abu-Gharmam Shaw)模型与一方程间歇因子输运方程.选取NASA-MARKⅡ跨声速叶片为算例,分别采用全湍流模型与加入转捩的模型进行气热耦合计算.数值计算结果与试验对比表明由于能够预测附面层中的转捩过程,采用转捩模型的耦合计算得到的结果与试验吻合最好,由于在叶片壁面附近的网格较粗,采用间歇因子输运方程的转捩模型计算的结果要逊于采用代数转捩模型的结果.