垂直下降状态下的旋翼三维流场数值模拟

应用激励盘模型,采用计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)方法结合动量叶素理论,计算了旋翼在垂直下降时的流场特征与气动性能.计算过程中,旋翼载荷被描绘成沿桨盘径向分布、与当地流动参数相关的压力源项.在直角坐标系中,运用有限体积方法直接求解了定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,湍流模型为S-A(Spalart-Allmaras)一方程模型,重点使用诱导速度经验公式计算出了压力源项.旋翼流场模拟结果和性能预计结果同实验测量数据吻合较好,表明这种CFD方法可以有效地分析旋翼下降飞行时的空气流动特性,为进一步的涡环状态研究提供了参考.     

各向同性湍流能量级串中的旋涡分岔机制

充分发展各向同性湍流能量级串和多尺度相互作用一直是湍流理论研究的核心问题.目前,对于该物理过程的完全理解或精确的数学描述缺乏基于第一原理的理论.简要介绍了湍流能量级串的概念、起源、发展历程及面临的挑战问题,着重阐述了目前各种现有描述方法的局限性.基于三维不可压缩流体的Karman-Howarth方程,根据新得到的各向同性湍流尺度演化方程以及在这一方向上的理论进展,证明存在以湍流Taylor微尺度为动力学量的非线性动力系统.根据上述新的理论,可以认为:湍流能量级串由一系列的旋涡非线性分岔过程刻画,呈现Feigenbaum倍周期分岔的途径.     

Numerical Investigation of Flow Separation Control on a Highly Loaded Compressor Cascade by Plasma Aerodynamic Actuation

To discover the characteristic of separated flows and mechanism of plasma flow control on a highly loaded compressor cascade, numerical investigation is conducted. The simulation method is validated by oil flow visualization and pressure distribution. The loss coefficients, streamline patterns, and topology structure as well as vortex structure are analyzed. Results show that the numbers of singular points increase and three pairs of additional singular points of topology structure on solid surface generate with the increase of angle of attack, and the total pressure loss increases greatly. There are several principal vortices inside the cascade passage. The pressure side leg of horse-shoe vortex coexists within a specific region together with passage vortex, but finally merges into the latter. Corner vortex exists independently and does not evolve from the suction side leg of horse-shoe vortex. One pair of radial coupling-vortex exists near blade trailing edge and becomes the main part of backflow on the suction surface. Passage vortex interacts with the concentrated shedding vortex and they evolve into a large-scale vortex rotating in the direction opposite to passage vortex. The singular points and separation lines represent the basic separation feature of cascade passage. Plasma actuation has better effect at low freestream velocity, and the relative reductions of pitch-averaged total pressure loss coefficient with different actuation layouts of five and two pairs of electrodes are up to 30.8% and 26.7% while the angle of attack is 2°. Plasma actuation changes the local topology structure, but does not change the number relation of singular points. One pair of additional singular point of topology structure generates with plasma actuation and one more reattachment line appears, both of which break the separation line on the suction surface.     

多级轴流压气机静子通道三维流场测量

为了实现多级压气机静子叶片通道内部的详细流场测量,设计加工了7根不同长度的"L"型五孔探针以及1根四孔探针。在压气机的设计工作状态,通过采用坐标位移机构带动五孔探针和四孔探针的方法,完成了四级低速大尺寸轴流压气机第3级静子叶片通道内部的7个不同轴向位置的截面上以及静子叶片出口截面上的三维流场测量,获得了静子叶片通道内部的详细流场细节。测量结果显示了通道涡和角涡的生成、发展过程以及两者之间的相互影响。实践表明,采用位移机构带动"L"型五孔探针或其它探针的方法可以应用于多级压气机静子叶片通道内部流场测量。     

倒置梯形涡流发生器与非对称超声速来流相互作用的短隔离段流动数值研究

为了有效地缩短超燃冲压发动机隔离段长度,在前期研究的等宽度平直斜楔基础上,用数值模拟的方法,研究了一种侧壁面后掠的倒置梯形涡流发生器,涡流发生器放置在隔离段进口厚附面层一侧。研究结果表明:加装倒置梯形涡流发生器后可在进出口压比相同的情况下,将隔离段长度减小40%左右,比等宽度平直斜楔多缩短5%;激波串长度随后掠角呈非线性变化,在一适当的后掠角下,激波串长度最小,它的总压恢复系数与等宽度平直斜楔处于同等水平。     

柔性扑翼非定常涡格法气动计算的改进与实现

旨在快速、准确地模拟微型扑翼飞行器(Flapping-wing MAV)周边流场,根据柔性扑翼的扑动特点,提出了微型飞行器(MAV)气动力计算的一种改进非定常涡格法(UVLM)模型,该模型中充分考虑机翼的瞬时柔性变形、诱导阻力、尾迹涡环畸变以及黏性耗散等因素对气动力的影响;给出了该模型的一个可视化实现,并通过实例验证了该模型的可行性和有效性。算法仿真表明,采用该模型可使平均升力和平均推力计算精度分别提高20%和70%左右。为了提高运算效率,还研究了剔除尾涡对UVLM性能的影响,计算结果显示,剔除距翼面适当距离处的尾涡后,可在保证算法计算精度基本不下降的前提下使运行时间减少2/3,这表明改进的UVLM可作为MAV的一种快速气动力估算工具,在MAV的优化中存在显见的应用价值。     

采用多源涡技术强化燃料/空气小尺度混合研究

通过数值模拟,研究了在空气入口总温为294.28 K,燃料气体为乙烷(C₂H₆)时在轴向旋流器出口截面上安装多个小突片的多源涡(MSV)结构对燃烧室内燃料/空气掺混效果的影响.结果表明:在每个小突片下游产生的小尺度流向涡使得局部的燃料/空气掺混加强;装有多源涡结构的燃烧室内对应的C₂H₆质量分数在文氏管下游2 mm截面上的混合不均匀度由不带多源涡结构时的13.0%下降到小于7.4%.在该研究的范围内,当小突片总的阻塞比增大时,对应的混合不均匀度减小,掺混效果变好.      

低雷诺数条件下跨声速转子轴向倾斜缝处理机匣扩稳研究

采用非定常数值方法对低雷诺数条件下50%,75%和100%三种不同轴向叠合量的轴向倾斜缝处理机匣结构对NASA Rotor 37跨声速压气机转子的扩稳效果进行了研究.结果表明,引入处理机匣后,附面层径向涡得到了很好的抑制,由附面层径向涡所引发的叶顶阻塞区大为减小,虽然又引发了由叶顶间隙涡对叶顶所造成的阻塞,但引入处理机匣后对压气机稳定性仍有较大的改善,能有效提高压气机转子的失速裕度.      

涡流冷却推力室中涡流结构的分析与优化

涡流冷却是一种新型液体火箭发动机推力室冷却方法,可以简化推力室结构,降低成本,提高可靠性。本文首先介绍该类型推力室的工作原理,并对涡流的结构进行了理论分析,得出内外涡流的速度分布特点。通过冷流场计算,验证了涡流结构分析的正确性。由于流体的粘性,减小了内部涡流的速度及涡量强度,影响推进剂的掺混及燃烧。通过对氧化剂喷嘴入射角的优化,发现氧化剂喷嘴倾斜一定的角度,可以增加内部涡流的速度及涡量强度,将有助于提高涡流冷却推力室中推进剂的燃烧效率。     

大迎角侧向力控制的一种新方法探索研究

本文提出了运用充气气囊控制飞机头部大迎角分离涡的思路,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同形状充气气囊作用下的飞机大迎角流场。计算结果表明,通过飞机头部增设充气气囊,可以改变飞机大迎角分离涡的强度和空间涡轨迹,其意义在于一方面可以通过充气气囊获得希望的某个方向侧向力;另一方面通过充气气囊的变化,可以实现对侧向力大小的控制。这种充气气囊控制分离涡的技术思路具有成本低、不破环飞机外形和实现方便的优点,为飞行器大迎角侧向力的控制探索了一条新的途径。