高超声速边界层流动稳定性实验研究

高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技术以及温敏漆等测试技术,对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术,对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量,并基于时间相关的测量结果,对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果,计算了特定位置上功率谱空间分布结果,测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果,发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态,分析了该模态的特性,并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。     

双翼尖涡Rayleigh—Ludwieg不稳定性实验研究

采用一种结构化矩形直机翼涡发生器产生一对大小不同、方向相反的翼尖涡,调节双涡涡量的大小比例Г1／Г2及其间距b,触发两涡Rayleigh—Ludwieg不稳定性。实验采用流动显示方法定性观察双涡相互作用过程,通过二维PIV（粒子成像测速）系统定量研究双涡相互作用特征,得到双翼尖涡中主涡及次涡的运动特性、环量-时间特性。对不同实验参数下残余环量比例进行分析,发现双涡涡量大小比例Г1／Г2在1．3～1．4、b为50ram时双涡相交削弱效果良好,能够实现翼尖涡强序削弱程度扶30％～40％。     

On Nonlinear-Evolution of C-type Instability in Nonparallel Boundary Layers

The process of evolution, especially that of nonlinear evolution, of C-type instability of laminar-turbulent flow transition in nonparallel boundary layers are studied by means of a newly developed method called parabolic stability equations （PSE）. Initial conditions, which are very important for the nonlinear problem, are investigated by computing initial solution of the harmonic waves, modifying the mean-flow-distortion, and giving initial value of TS wave and its subharmonic waves at initial station by solving linear PSE. A numerical method with high-order accuracy are developed in the text, the key normalization conditions in the PSE are satisfied, and nonlinear PSE are solved efficiently and implemented stably by the spatial marching. It has been shown that the computed process of nonlinear evolution of C-type instability in Blasius boundary layer is in good agreement with the experimental results.     

射流破碎的线性不稳定性分析方法

线性不稳定性分析是目前处理柱状射流及复合射流破碎的最常用理论方法之一。该方法基于流体力学基本方程和边界条件,利用线化小扰动法和正则模法开展相关研究,能够成功预测实验中发现的不同流动现象和规律。线化小扰动法的原理是将非线性问题中涉及的物理量分解成零阶近似和小扰动,代入原非线性方程并略去高阶小量,从而使非线性问题转化为一阶近似的线性定解问题。正则模法是将小扰动量分解成一系列模态的叠加(比如Fourier级数形式),使每个模态都满足线性系统,从而将线性定解问题转化为求解广义特征值问题。正则模法适用于具有对称性的流场,根据小扰动的演化情况,可以分为时间模式、空间模式和时空模式。本文回顾了射流及复合射流线性不稳定性分析方法的主要内容和具体实施步骤,并选取流动聚焦这一代表性的微细射流生成技术,概述了线性不稳定性分析方法在实际中的应用,最后对已取得的相关成果进行了总结。     

气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性的实验研究

报道了在国内首次实现的矩形激波管内气/液界面上(即Atwood number,A1)的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性现象.实验在一台垂直矩形激波管中进行,得到了较低马赫数(M=1.36和1.58)下,多元扰动R-M不稳定性后期阶段气泡和尖钉高度对时间的增长规律,即气泡高度hb~t0.55±0.01,尖钉高度hs~t.当激波马赫数从1.36增加到1.58时,气泡和尖钉高度对时间的指数规律没有发生明显改变,气泡的增长速度没有受到影响,而尖钉增长速度却有大幅度的增加.同时还观察研究了多元扰动R-M不稳定性中典型的气泡竞争现象.     

不同速度波动下氢含量变化对氢气-甲烷钝体火焰燃烧不稳定性的影响

针对燃气轮机贫燃预混条件下容易产生燃烧不稳定问题,探究了不同氢含量对氢气-甲烷混合气钝体火焰燃烧不稳定性的影响,用于获得燃烧不稳定性的控制方法.通过像增强相机(ICCD)、光电倍增管(PMT)、卡塞格林定点采集等装置获得火焰图像,并借助火焰传递函数描述火焰对声场的响应特性.由此得到了不同速度波动A下氢气含量变化(0％,...     

局部喘振的发生机理

为了深入研究高负荷压气机的失稳机制,明确失稳先兆局部喘振现象的发生机理,总结了某跨声压气机在均匀进气不同工作转速下失稳过程的实验结果,继而对其在进气畸变条件的失稳过程开展实验和数值研究.结果发现:在均匀进气条件下,局部喘振在低转速时并未发生,而发生于高转速情况下,推断局部喘振的发生与压气机叶根区域的相对高负荷有关.随后在高转速下降低叶根负荷,则局部喘振现象不再发生;而在低转速下升高叶根负荷,则局部喘振现象发生.所以得出结论,压气机叶根相对高负荷确实为局部喘振的发生条件.对于所研究的压气机,如果近失速点叶根扩散因子超过0.6,则会发生局部喘振现象.      

高压涡轮封严流与主流相互作用的机理研究

为探究高压涡轮轮毂封严流与主流相互作用的机理,借助经过实验校核的数值模拟方法,详细分析了封严流对主流端区二次流结构的影响以及封严流与主流的相互作用过程。研究发现：一方面,主流从叶片前缘位置侵入封严结构内部,在封严出口处形成封严回流涡,并在封严结构内部诱导出一个反向涡,这两个涡直接影响封严结构的封严效率;另一方面,封严出口处封严回流涡与叶片通道内的马蹄涡压力面分支在流向上旋转方向一致,互相融合并增强通道涡强度。封严结构决定了封严回流涡流出的位置和速度方向,直接影响封严回流涡与马蹄涡压力面分支的相互作用过程,从而决定了损失的大小。研究还发现,当封严流和主流在封严出口交界面上流量相当且存在一定的周向速度差时,封严出口会发生Kelvin-Helmholtz不稳定现象。此时伴随大量边界层低能流体进入封严结构内,封严流周向速度减小,马蹄涡的压力面分支和封严回流涡随之减弱,继而使端区二次流损失减小。     

某单级跨声速轴流压气机失稳过程试验

为了深入认识高负荷单级跨声速轴流压气机的失稳过程,揭示其不稳定流动现象的发生、发展及其诱导压气机失稳的物理本质,针对某单级跨声速轴流压气机开展试验研究,对整个失稳过程进行了稳态和动态试验测量.通过对原始信号进行低通滤波和FFT(fast Fourier transform)分析,结果表明:在失稳过程中,静子叶根区域首先出现大幅值、轴对称的轴向低频扰动,此时,该压气机50%叶高以下的加功能力有所下降,但整机并未完全失稳.由于该扰动具有频率低、轴对称、幅值大等典型特征,因此,将这一现象定义为局部喘振.随着流量进一步降低,该扰动会沿轴向和径向传播,最终发展到全叶高,此后,该扰动在转子叶尖区域诱发出旋转失速团,最终导致压气机完全失稳.      

入口流动参数脉动对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定的影响

通过均匀搅拌器(PSR)模型研究了某型燃气轮机燃烧室入口流动参数脉动对燃烧不稳定的影响.研究结果表明:对于贫预混燃烧室(燃烧室工作在较低的入口当量比下)来说,当入口温度、入口气体流量和入口当量比的相对脉动幅值相同时,入口当量比的脉动对燃烧不稳定性的影响最大,其次是入口气体流量,而入口温度的脉动对燃烧不稳定性的影响相对较小.