新型高超声速进气道边界层人工转捩方法研究

为确保高超声速进气道的安全工作,其压缩面边界层在进入其内流道前必须完成转捩。针对高超声速进气道边界层转捩需要,依据二维高超声速边界层转捩机理,尝试了一种新型低阻高效的边界层人工转捩方法,在FD-07风洞中开展了试验验证。试验中首先通过进气道对称面压力分布和激波纹影获得进气道的自起动情况,进而推断进气道入口前的边界层转捩情况。试验包括进气道前体边界层自然转捩和人工转捩,试验结果表明在Ma=5、6,迎角α=0°来流条件下,使用同一波长的人工转捩带可以成功实现进气道边界层转捩,验证了基于线性稳定性理论设计的人工转捩带在宽马赫数范围的适用性。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换,得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布,在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大,相干结构的平均猝发周期也相应增加,说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术,提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形,发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低,雷诺应力表现为正负交替的波动现象。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响,以及拓宽湍流场的强度和尺度范围,发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场,得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围,并能利用不同几何结构产生多种可控流场,实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构,利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术,开展了湍流燃烧实验,结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L,0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区,火焰面破碎程度明显增强,孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下,积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用,可能存在临界宏观雷诺数Re_c,能够表现流体惯性力占主导地位的程度,决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大,扰动能力强,故积分尺度越大,火焰体积越大;但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈,小尺度叠加在大尺度上的程度增强,最终也使火焰体积显著增大,掩盖了积分尺度对火焰体积的影响,说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

两方程湍流模型的可压缩性修正及其应用

本文在不可压两方程湍流模型的基础上进行可压缩性修正,给出了ｋ－ε、ｋ－ε两方程模型的可压缩性修正方程,并对亚声平板湍流流动和跨声喷管流动进行了数值模拟,得到了较好的结果。从而证实了两方程湍流模型经过可压缩性修正,能较好地模拟可压缩流动。     

湍流中涡的尺度分析

本文通过实验表明,用子波变换对实验数据分析得到的尺度,与Lumley建议的湍流中涡的尺度是一致的.因而,子波分析可以作为按涡的不同尺度分解湍流的一种有效的工具.     

壁面加热湍流标度律的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的流向速度和温度的时间序列信号，研究了壁面加热的边条件和不同法向位置的剪切作用对速度和温度增量的p阶结构函数的非线性反常标度律的影响，实验结果表明，壁面加热的边界条件不同法向位置的剪切作用对层次结构模型中间歇参数β和最奇异指数γ的影响明显存在，并初步分析了在具有强剪切作用的壁湍流中这种影响产生的原因。     

LDA测量方截面U型旋转通道速度分布

为了深入了解旋转涡轮叶片内冷通道中的流动特性，用激光多谱勒测速仪(LDA)测量了旋转U型通道中的平均速度分布。通道的横截面积为50mm×50mm，弯管的平均半径与水利直径的比值为0.65，旋转轴与弯管的曲率轴平行。在Re＝105时分别测量了转动数Ro＝0，0.2和-0.2三种旋转状态下的速度分布。在这三种情况下弯管内侧θ＝90°至下游一定范围内都有流动的分离出现。由于不同的旋转状态二次流的方向和强弱不同，导致了分离区大小和通道中速度分布的不同。     

数值模拟二维喷管激波/湍流附面层干扰流动

采用可压缩性修正两方程湍流模型,数值模拟了3种不同波前马赫数的跨声速二维喷管内激波/湍流附面层干扰流动,对流场中时均参数和脉动参数的计算结果与实验值进行了比较。结果表明可压缩性修正的两方程湍流模型准确地模拟了正激波/湍流附面层干扰流动的时均参数和脉动参数,无分离和有分离的激波/湍流附面层干扰流动的基本规律。      

两相湍流的非线性k-ε-kp模型

由两相湍流的代数应力模型，提出一种两相湍流的非线性k-ε-kp模型，可以合理地模拟各向异性较强的旋流，浮力流等两相流动，具备二阶矩模型的优点，又比二阶矩模型简单。文中推导出气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k，kp以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立，就构成非线性k-ε-kp模型。本文将该模型用于模拟突扩湍流两相流动，给出两相时均速度场及雷诺应力各分量，并且将模拟结果和PDPA实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照。结果表明，该模型预报各向异性两相湍流的能力和二阶矩模型的能力接近，但是计算量比二阶矩模型的小得多。     

带有双层壁扩压器的波瓣喷管混合流场的数值计算

采用三维贴体曲线坐标网格,边界网格加密且正交,在整个计算区域进行全场计算。为避免因波瓣造成的网格强烈的非正交引起解的发散,采用了Chen和Kim修正的k-ε湍流模型及同位网格SIMPLC计算方法,对带有双层壁扩压器的波瓣喷管混合流动进行了数值计算和分析。对波瓣及双层壁,采用大粘性的方法解决流固耦合。计算结果表明:在双层壁间有外界冷气流被引射进入,形成了壁面的冷却气流;自波瓣出口截面沿流向产生的环流速度场,强化了主次流的掺混,速度分布渐趋均匀。计算结果与实验数据符合良好,二者在离开波瓣52 mm的混合管内相对主流速度的最大误差为21.65 %。