风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性

空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一,决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求,结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势,对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨,本篇为其中第二部分：入流和尾流特性。一方面,选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面,从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手,梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展,分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外,结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后,对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。     

基于改进的k-ω-γ转捩模式预测高超声速飞行器气动特性

为验证边界层转捩对高超声速飞行器气动特性的影响,采用改进的k-ω-γ转捩模式对类X-51A高超声速飞行器进行了全机边界层转捩预测.不仅系统分析了飞行攻角和雷诺数对边界层转捩的影响规律,同时研究了边界层转捩对飞行器气动力和进气道性能的影响.发现边界层转捩对飞行器升力系数和俯仰力矩系数影响较小,对阻力系数影响较大.针对本文...     

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响,飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究,利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量,并结合热流测量结果,研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%;高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程,试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

“人字形小肋”对激波/边界层干扰的影响研究

在曼彻斯特大学跨声速风洞开展激波/边界层干扰及“人字形小肋”对其影响的实验研究。在马赫数1.85流场条件下,应用高速纹影、油流、皮托压力测量和基于压敏漆的壁面压力测量技术,研究“人字形小肋”流动控制方法对激波/边界层干扰的流动分离结构与尺寸、压力分布特性与波系特征等影响。结果显示激波/边界层干扰诱发流动分离,分离区呈现三维特征,在“人字形小肋”的作用下,分离线呈现“波浪”形且整体向上游移动,干扰区流向尺寸增大,分离区高度减小且长度略增大,再附区的压力极值降低,这些特征与叶片、尖楔等微涡发生器的影响趋势相反。下一步工作中,拟针对“人字形小肋”开展参数优化研究,“人字形小肋”可能成为降低激波/边界层干扰诱发的高热流载荷的有效方法。     

大气辐射传输对红外探潜的影响分析

针对红外探潜的特点,在建立了红外探潜系统作用距离方程的基础上,利用大气辐射传输软件仿真分析了水蒸汽、二氧化碳、海洋气溶胶等因素对红外探潜的影响。结果表明,这些因素对红外探潜效能具有较大影响。     

多种资料在乌鲁木齐机场浓雾天气监测预报中的运用

本文利用气象卫星、地面自动气象站、微波辐射计和风廓线雷达等多种资料开展乌鲁木齐机场浓雾天气监测及预报分析,主要结论如下:1)乌鲁木齐机场浓雾天气多与准噶尔盆地及北疆沿天山一带阴雾天气相关,气象卫星和地面气象自动站能见度资料可以实现对雾区范围、强度及其移动发展的基本监测。2)区域地面自动气象站资料可实时反映准噶尔盆地和北疆沿天山的地面中尺度风温场特征,有助于分析判断风场变化、降温条件以及雾的生消演变和传播扩散。3)机场微波辐射计和风廓线探测资料相结合,可"构建"近似实时的局地中低空气象要素探空。4)在常规资料的基础上,综合分析运用多种资料有助于分析研究乌鲁木齐机场浓雾生消机制,寻找浓雾生消监测的关键和重点,建立精细化短临预报服务思路。     

叶片开缝和边界层抽吸耦合控制压气机失速裕度的数值研究

为了进一步优化压气机的整体性能，提出三种叶片开缝和边界层抽吸的耦合流动控制方案。首先，利用数值模拟的方法，研究叶片开缝或边界层抽吸对跨声速轴流压气机流场结构的影响机理。然后，详细研究了边界层抽吸分别与三种不同叶片开缝的耦合流动控制方案对压气机整体性能的影响。研究结果表明，与叶片开缝或边界层抽吸的单独应用相比，三种耦合流动控制方案都使压气机实现了更宽的稳定裕度。全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案稳定裕度改进量为1.27%，中间叶高开缝的耦合方案和上半叶高开缝的耦合方案稳定裕度改进量分别为1.67%和1.35%；在近失速点处，相比较全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案，局部开缝与边界层抽吸的耦合方案应用后，总压损失和效率降低；上半叶高开缝的耦合方案在三种耦合方案中稳定裕度最高，所以叶片开缝和边界层抽吸的耦合方案是可行的。     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。