某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场特性

超燃冲压发动机结构简单,推重比大,应用前景广阔.但其流场结构十分复杂,研究超燃冲压发动机三维流场结构具有重要的意义.采用计算流体力学软件对某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场进行数值模拟,先后得到了流场的密度、马赫数、涡量及速度矢量线图.结果表明:喷管内及侧壁面出口处存在膨胀波.各个壁面出口处附近的流场存在羽流激波和剪切层,内喷管出口周围的羽流激波和剪切层呈环状分布在流场周围,上壁面尾部受羽流激波的影响产生一道由压强决定的管内斜激波.内喷管出口及上壁面尾部处也均存在流向涡结构.     

有压梯度边界层壁面局部脉冲诱导大涡结构的演化机制研究

在不同压力梯度边界层流中,采用直接数值模拟的方法,研究了壁面局部脉冲扰动激发大涡结构的演化机制和特性．数值结果表明：局部脉冲激发产生的大涡结构成因的许多特点,如幅值演化,高低速条纹结构,流向涡的产生,上喷和下扫过程,平均速度剖面存在拐点等特性与实验及某些数值结果非常相似．随着时间的不断推进,在逆压梯度边界层流中容易被激发产生大涡结构,且扰动幅值的增长、流向涡的形成、影响区域的范围及流场的三维特性等均大于零压和顺压梯度的情况;反之,在顺压梯度边界层流中不易被诱导产生大涡结构．     

绕射激波和反射激波冲击下的Richtmyer-Meshkov不稳定性

利用高速纹影和平面片光测试技术,实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的R-M不稳定性特征.在竖直激波管采用重气体尾部充入,轻气体上部充入,狭缝流出的方式,在实验段狭缝处生成准静止稳定的N2/SF6平面界面.激波与圆柱作用后的流场是复杂的,包括初始的入射波、弯曲反射波、马赫波、由马赫反射产生的滑移线.研究这些复杂流场对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.与平面激波作用不同的是,在柱体绕射后的激波冲击下,界面会生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,会加剧湍流混合区的增长;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

可压缩轴对称射流三维拟序结构的演化

采用高精度差分方法对空间发展轴对称可压缩射流流场进行直接数值模拟, 计算结果显示了射流失稳后首先出现Kelvin-Helmholtz非稳定特征, 流动的进一步发 展, 非线性效应的增长导致轴对称涡环的二次失稳和流向涡的产生, 并给出了拟序结构的三维演化过程. 计算结果证实了轴对称射流中二次失稳、流向涡的产生是增强流动混合及流动产生转捩的重要机制.     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

不同周期壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层流动的Blasius解作为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中单个周期壁面局部微振动诱导大涡结构的过程.计算结果表明:壁面扰动完成时,周期为7.5,10和12.5诱导大涡结构的初始扰动速度与空间分布稍有差异.若周期为12.5,随着时间的增加,诱导形成的大涡结构扰动速度幅值不断增加,高低速条纹结构面积不断扩大;边界层近壁流向速度剖面存在较大拐点,雷诺应力明显大于周期为7.5和10的大涡结构.周期为7.5和10的诱导大涡结构较弱.壁面局部微振动可诱导边界层形成大涡结构,演化特性与局部微振动周期密切相关,周期越长,大涡结构强度也越大.     

波瓣混合器混合流场中涡结构的数值研究

以FLUENT程序为研究平台,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω以及S-A五种湍流模型,对航空发动机混合排气系统中常用的波瓣混合器的流场,进行了三维数值模拟。与实验测量数据对比可知,所采用的计算方法能够较好地描述波瓣混合器复杂流场中流向涡、正交涡形状以及涡量沿流动方向的变化规律。在各种湍流模型中,Realizable k-ε在流向涡以及正交涡涡量大小的描述方面较其他模型更为精确。     

反射激波诱导界面不稳定性研究进展

运动激波与流体界面相互作用能够引起复杂的流动现象,包括激波反射折射、界面失稳以及湍流混合等,在自然界和工程实际中具有重要的应用价值和研究意义.入射激波冲击之后,初始界面上的扰动在斜压涡量和压力扰动等机制下经历线性和非线性增长,界面形态不断发生变化;当反射激波再次冲击变形的界面时,涡量的产生及输运将改变界面不稳定性的演化过程,产生不同的物理现象和规律.由于反射激波的生成及控制比单次激波要更加复杂,开展与之相关的界面不稳定性研究工作具有极大的挑战性.本文回顾了近年来学者们在反射激波诱导界面失稳和湍流混合方面取得的实验、数值和理论研究进展,重点从平面和汇聚两种典型的初始激波形状出发,讨论了界面形状、激波强度、反射距离等初始条件对反射激波再次作用下界面不稳定性的影响规律,并进一步展望今后的研究重点和方向.     

KIVA程序在波瓣混合器混合流场数值模拟中的应用

本文以KIVA程序为研究平台,分别采用标准k- 湍流模型和RNG k- 湍流模型,对现代航空发动机中常用的波瓣混合器流场的进行了三维数值模拟。通过与实验测量数据对比可知,基于ALE法KIVA程序能够较好地描述波瓣混合器中流向涡系以及正交涡系形状以及涡量随流动的变化规律,与实验结果较为吻合;在湍流模型方面,标准k- 模型在流向涡以及正交涡涡量大小的描述方面较RNG k- 模型更为精确。     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。     

蒸气爆炸过程中压力波冲击气泡现象的数值模拟

为了进行高温金属铝液与水相互作用产生蒸气爆炸过程中压力波冲击气泡现象的机理研究,采用用Euler坐标下Level set方法追踪界面研究压力波对水下气泡的冲击过程,通过数值模拟可以清楚地看到压力波对水中气泡的冲击过程,并分别对气泡和压力波的不同初始压力条件下的作用过程进行数值模拟. 研究结果表明,气泡破裂后各观测点的最大压力随着气泡内部初始压力的增加呈线性递减;随着入射平面压力波压力载荷的降低,气泡破裂后各观测点的最大压力不断递减.      

不同设置方式下气泡帷幕对水中冲击波衰减特性的研究

为研究不同布置形式的气泡帷幕对水中冲击波的削减特征,设计了三因素三水平的正交数值模拟试验,并结合敏感性分析的方法分析了气泡帷幕数量、气泡帷幕间距以及气泡帷幕防护距离三个因素对水击波削减作用的影响,结果表明气泡帷幕数量和气泡帷幕防护距离影响较大,多数量且靠近被保护对象的布置形式有利于气泡帷幕对水中冲击波的削减作用。     

三维强旋流场中的激波捕捉

为了研究激波对气体离心机取料支臂附近流场的影响,采用数值求解三维N av ier-S tokes方程组的方法来模拟三维强旋流场。使用有限体积法中的二阶迎风格式离散方程,隐式迭代求解。计算捕捉到了障碍物前方的脱体激波,随着径向位置的增大,激波的强度逐渐变大,激波面与支臂表面的距离越小;支臂与转子侧壁之间形成了斜激波,向下游延伸,同时激波面向内弯曲;激波对转子侧壁有影响;激波对上边界的影响很小。计算结果表明该文的方法对强旋流场的计算是有效的。     

An experimental study on fine structures of supersonic laminar/turbulent flow over a backward-facing step based on NPLS

Fine structures of supersonic flow over a 5 mm high backward facing step(BFS),including expansion wave fan,reattachment shock,supersonic boundary layer were measured in a Ma=3.0 low-noise indraft wind tunnel.By varying the superficial roughness of the wall upstream from the step,supersonic laminar flow and supersonic turbulent flow could be formed over a BFS.Measurements on the spatiotemporal features of the holistic flow field and the fine structures in four typical regions were carried out using NPLS(nano-based planar laser scattering).Flow structures,including expansion wave fan,reattachment shock,supersonic boundary layer and its separation,reattachment and redevelopment are revealed by measuring the holistic structure of the transient flow field.Comparing the two time-averaged flow fields with each other,it is apparent that supersonic turbulent flow over a BFS(STF-BFS) has a larger expansion angle and a shorter recirculation region,and its redeveloped boundary layer increases at a smaller obliquity while the angle of reattachment shock is the same for the supersonic laminar flow over a BFS(SLF-BFS).With regard to time-evolution features,the K-H vortices in the SLF-BFS suffers from shearing,expansion,reattachment and three-dimensional effects while in the STF-BFS large-scale structures are affected by the incline and distortion at the reattachment point due to expansion,viscosity and reverse-pressure.Studies on local regions indicate that in the SLF-BFS,the emergence of compression waves which distinctly converge into a reattachment shock is due to the local convective Mach number and the inducement of K-H vortices in the free shear layer.Nevertheless,in the STF-BFS,compression waves and K-H vortices are barely evident,and the formation of a reattachment shock is related to the wall compressive effect.     

定常与脉冲涡旋射流下矩形扩压器流动分离控制研究

为了研究涡旋射流控制流动分离的物理机理,基于大涡模拟方法对涡旋射流控制下的矩形扩压器流场和射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程进行了数值研究.结果表明:射流产生的流向涡将主流高动量气流带入分离区,增加了边界层内气流流动方向的动量,使流动分离得到了抑制.射流流场的涡结构主要由射流剪切层涡、马蹄涡、尾涡组成,由于速度梯度大小的变化,使得射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为涡环.对于脉冲射流,在低频脉冲下,射流产生的流向涡呈涡卷结构,流动控制效果明显.在高频脉冲下,射流剪切层涡演变成间歇涡环结构,流动控制效果减弱.通过对比脉冲频率和占空比对流动控制的影响发现,占空比为0.5、频率为20Hz的脉冲射流具有较好的流动控制效果.     

熔池自激振荡的力学模型

本文提出熔池内钢水波动过程中的粘性损耗、回流运动与气泡上浮的能量可互为补偿,形成接近于无损的“自激振荡”式的波动。经过近似处理,推导出自激振荡的力学模型。在水模实验中可以看到,气泡上浮激发的是A型波,而生产实践中一般也激发A型波。按本力学模型所进行的流场速度计算,与在水模实验中所进行的二维激光测速的实测流场相比较,其分布与数值相当一致。     

Experimental investigation of supersonic flow over a hemisphere

The experimental investigation of supersonic flow over a hemisphere was conducted using Nanoparticle-based Planar Laser Scattering(NPLS) technique in a supersonic quiet wind tunnel at Ma=2.68.Ahead of the hemisphere,boundary layer separation with the formation of a three-dimensional separated flow was observed,which was resulted from the interaction between the three-dimensional bow shock wave and the boundary layer.The complex flow structures of supersonic flow over the hemisphere were visualized.Based on the time correlation of NPLS images,time-space evolutionary characteristics of supersonic flow over the hemisphere were studied,and the evolutionary characteristics of the spanwise and streamwise large scale vortex structures were obtained,which have the features of periodicity and similar geometry.     

煤与瓦斯突出形成冲击波的灾变损害

煤与瓦斯突出后,瓦斯浓度的变化非常快,无法监测到完整的瓦斯浓度变化数据。本文通过实例分析,采用幂函数可以较准确地表示突出后随时间变化的瓦斯浓度曲线,确定了粉煤-瓦斯混合物运动和空气压缩波形成冲击波传播的时间和路程的关系;依据煤与瓦斯的突出强度,对突出过程中瓦斯所做的膨胀功进行分析,确定了煤与瓦斯突出产生的冲击波波阵面的速度;根据波阵面的速度,以及与入射压的关系,最终确定了作用在风门的等效载荷是由反射超压决定的。结合试验确定了反射超压的近似载荷曲线模型。