低雷诺数下柔性薄板涡激振动流固耦合特性研究

柔性薄板的流固耦合特性研究在航空及能源动力领域具有广泛的应用背景,特别是在上游流体出现脉动的情况下,将引发薄板周期性振动,这种规律性的结构振动反过来又会改变其尾流的泻涡释放形态。本文基于非定常流动和柔性薄板振动理论,建立了柔性薄板的流固耦合特性研究模型,并得到了薄板的振动特性以及平板周围流场的非定常流动特性。结果表明：随着流体雷诺数的不同,柔性薄板的振动情况有明显的差异,当激振力的频率与柔性薄板固有频率一致时,会出现共振现象,柔性薄板振动对涡的形成产生抑制,保持薄板的附着流,延迟分离;当薄板的最大弹性回复力低于流体激振力时,薄板出现无规律的随机振动变形。     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

基于DES方法的高超声速激波/边界层干扰的双微楔控制数值研究

高超声速飞行器在流场中通常会伴随激波/边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。采用湍流离散涡模拟(DES)方法、结合有限体积离散方法与自适应网格加密(AMR)技术对来流马赫数为7.0的流场中SWBLI诱导的流动分离进行数值模拟,并分别采用单、双微楔对其进行控制。针对流场结构、近壁面流向速度、压力梯度及总压损失等参数,分析讨论了不同双微楔流向安装位置对SWBLI的控制效果。研究结果表明:双微楔产生的流向涡对与涡对之间的相互诱导促进了各自流向涡对之间的卷吸作用,使得双微楔对分离气泡的消除效果优于单只微楔;流动总压损失系数随着微楔后缘与分离气泡中心的距离的减小呈先减小后增加的趋势;综合讨论流向涡强度与形状阻力的影响,得到了双微楔最佳流向安装位置。     

转捩对压缩拐角激波/边界层干扰分离泡的影响

为了研究转捩对压缩拐角内分离泡结构的影响,进行了来流马赫数2.9,24°压缩拐角激波/转捩边界层干扰的直接数值模拟（DNS）。通过在拐角上游平板的不同流向位置处添加周期性吹吸扰动激发流动转捩,使得转捩不同阶段进入拐角入口,从而在拐角内产生激波/转捩边界层的相互干扰。计算得到的平均速度剖面、壁面压力分布以及分离泡大小与风洞试验及以往直接数值模拟结果吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究了转捩过程对角部干扰区内分离泡结构的影响规律,分析比较了不同转捩阶段下角部分离区内湍动能的生成、耗散和分配机制。研究结果表明：转捩初期的拟序涡结构对分离泡尺度及形状影响最大,发卡涡包在角部拐点附近发生展向融合,并在角部区域形成湍流斑,此时分离泡尺度最小,形状呈现中间高两边低的山峰型。随着转捩的发展,分离区内湍动能生成和近壁区的耗散逐步降低,此时输运项起到了主要的平衡作用。     

锥形干扰中的起始分离研究

对直立和后掠的尖缘舵、半锥及后掠压缩角等四类激波发生器引起的激波／边界层锥形干扰的起始分离现象和机理进行了实验研究。在实验中，自由流马赫数为：M∞＝1．79，2．04和2．50，相应的雷诺数几乎保持不变：Re≈2．4×107。研究结果表明，这类锥形干扰诱导的三维分离流动是从二次流发展形成的。分离形成之前，这类二次流中亦存在“禁区”现象，但它和分离流的“禁区”现象在性质上和变化规律上是不同的。基于此，本文提出了判断锥形干扰起始分离的“拐折准则”。据此准则并结合锥形干扰的分离相关特性，本文给出了四类激波发生器在不同马赫数下的分离边界。     

Interference-free wind tunnel testing of jet propelled missiles

Wind tunnel evaluation of the aerodynamic interaction effects between plume and the external flow past the missile body including the wake boundary (“slipstream”) over powered flight envelopes of rocket propelled vehicles can be greatly facilitated — or even made possible — by a methodology replacing the hot propellant by cold, inert gases. Model nozzle design is based on the second order matching of plume geometry and first order modeling of plume stiffness. Since modeled nozzles will have larger throat radii than the prototypes, one can use sting-supported, sting-fed model installations thus eliminating aerodynamic interference effects due to struts. The concepts of simulated altitude and simulated full-scale Reynolds Number greatly reduce wind tunnel occupancy time. Computer programs, covering all steps of evaluating prototype nozzle performance, model sting nozzle design, model test evaluation and interpretation have been developed. The modeling methodology is supported by experimental results obtained in an induction wind tunnel at the FFA, Bromma, Sweden and in the 16 T and VKF-A altitude tunnels at AEDC, Tullahoma, Tenn.     

Satellite Observations of Natural and Anthropogenic Aerosol Effects on Clouds and Climate

Anthropogenic aerosols affect the climate system and the hydrological cycle. The net effect of aerosols is to cool the climate system, directly by reflecting sunlight to space, and indirectly by increasing the brightness and cover of clouds that in turn also reflect more sunlight to space. The uncertainty in the aerosol effect on climate is 5 times greater than that of the greenhouse gases. The reason for this is the short aerosol lifetime and chemical complexity, that makes it difficult to represent the global aerosol budget from surface or aircraft measurements. Satellites provide daily global information about the aerosol content, generating large statistics with excellent regional and global representation of the aerosol column concentration, and differentiating fine from coarse aerosol. Here we use observations performed with the MODIS instrument onboard the Terra and Aqua satellites to differentiate natural from anthropogenic aerosols, and to measure the aerosol effect on cloud properties and on the reflectivity of sunlight.     

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

BVF诊断在非定常转静匹配中的应用

对一台高负荷跨声速单级风扇进行了非定常数值模拟.并将BVF(boundary vorticity flux, 边界涡量流)诊断方法应用于非定常条件下的转静干涉研究中.结果表明BVF不仅能够清晰地捕捉到转静干涉对流场的影响, 指出转子叶排的尾迹干扰是引发下游叶排通道流场非定常特性的最主要因素, 还能够根据叶片表面出现的一些细节, 结合静压、熵等分析方法, 找出动叶的叶尖和静叶的叶根在转静匹配中存在的问题.表明BVF诊断方法能够反映出转静匹配的状态好坏, 并指出改进设计的方向, 是一种能够有效找出对流场产生负面影响的根源, 并指出削弱甚至消除这些负面影响办法的新型诊断方法.