三角翼前缘涡轴向速度的数值模拟研究

本文通过数值模拟的方法研究了雷诺数和攻角对76°大后掠三角翼和50°中等后掠三角翼前缘涡轴向速度的影响.前缘涡速度沿轴向的变化趋势反映了三角翼前缘涡的产生、发展及其演化过程,计算结果表明,后掠角、攻角和雷诺数共同影响前缘涡轴向速度的发展和展向分布特征,其中雷诺数是最重要的影响因素.较高雷诺数下,大后掠三角翼和中等后掠三角翼前缘涡轴向速度呈现出常见的射流型轴向速度分布;而降低雷诺数至105以内时,中等后掠三角翼前缘涡轴向速度剖面为尾流型,大后掠三角翼在较小攻角下也表现出尾流型的特征.     

直接解N-S方程模拟高雷诺数过跌坎水流

首次在较粗网格下成功地由N-S方程直接数值求解了高雷诺数过跌坎水流.跌坎水流是典型的由大涡控制的紊流运动,作为一种近似可忽略小涡影响,网格尺度易满足描述大涡特征分辨率的要求,从而可在较粗网格实现直接数值求解N-S方程获得紊流流场.文中采用基于剖开算子法的欧拉-拉格朗日相结合的有限单元方法,对雷诺数Re=44000的二维跌坎水流进行了数值模拟.用16669个节点组成的三角形网格离散流场,在个人电脑上仅用150min即完成全部计算,不但给出了流场的时均特征,而且给出了它的紊动瞬时特征.数值试验表明,主要计算成果和试验甚吻合,由N-S方程直接数值求解工程中高雷诺数复杂紊流问题将成为现实.     

基于SPIV的船体附着冰对尾流场影响试验研究

以76000DWT 1B级冰区加强型巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对船舶的敞水标称伴流场进行了测量,测量结果精细地展现了舭涡、螺旋桨毂帽涡以及"钩状"速度等值线结构,其流场特性与KVLCC,JBC等U型尾肥大型船舶尾流场特性符合.最后,应用SPIV(2D-3C PIV)测量系统对船体具有模型冰附着条件下进行了尾部标称伴流场测量,并对轴向速度分布,速度矢量分布、旋转强度、涡量以及流线等进行了分析.结果表明:冰载荷的附着使船舶尾部区域产生相当于附着冰厚度的"虚拟厚度","虚拟厚度"的存在破坏了原有的优秀线型设计,使船舶表现为整体宽V型的非最优尾部.船底及舷侧附着冰的存在,导致裸船体航行时产生的尾部伴流场受到干扰,船壳附近湍流边界层结构被破坏,模型冰的非流线型外形使得冰后产生复杂涡系,多涡系相互干扰导致产生混乱的涡结构.     

液-液旋流分离管中强旋湍流的Reynold应力输运方程数值模拟

应用湍流Reynold应力输运方程模型(DSM)对液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟,并与LDV测量结果进行了比较,结果表明DSM模型不仅较合理地预报出了切向速度的Rankine涡结构及其位置,而且揭示了液－液旋流管中切向速度所特有的双峰分布现象;对轴向速度预报给出了近壁下行流、近轴上行流以及介于两者之间的零速区等;湍流动能在旋流管中的变化为上游近壁大、中部近轴大和下游近似均布.旋流管中的静压则呈近轴小近壁大、上游小下游大的分布;除个别区域外,以上数值预报结果与相同条件下的激光Doppler诊断结果,无论在定性上还是定量上均吻合良好.     

稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒扩散影响的LES／FDF模拟

本文基于颗粒扩散率这一参数,应用LES／FDF模型对稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒湍流扩散的影响进行了数值模拟研究．通过将使用LES／FDF模型得到的模拟结果与不使用LES／FDF模型得出的结果进行对比后,得出：对于小颗粒（小Stokes数颗粒）,大涡结构是影响颗粒空间扩散的主要因素;但是对于中等粒径颗粒和大颗粒,亚网格尺度涡对于颗粒扩散率的影响与大涡处于同一数量级．亚网格尺度涡在大多数情况下会使颗粒扩散率增大,但有时也会降低颗粒扩散率．亚网格尺度下颗粒的扩散率不仅仅取决于亚网格尺度涡的强度和Stokes数,还与流场中的大尺度涡结构有关;对于各向同性湍流中的颗粒,在亚网格尺度涡的作用下,其扩散率随粒径增大而降低．     

Y型明渠交汇水流分离区的数值分析

针对Y型明渠交汇口的水流特性，应用三维各向异性的雷诺应力模型，采用交错网格上的有限体积法离散控制方程，用SIMPLE算法求解压力-速度场。数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好，并据此重点探讨了不同交汇角条件下交汇口分离区尺寸的变化规律，提出Y型交汇水流分离区的定义和分离区尺寸与汇流比的函数关系。     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素,因此,准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上,建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法,通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算,对计算方法进行了验证．在此基础上,综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术,结合模态空间下结构动力学方程,建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台,对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明,不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率,相比较雷诺平均Navier-Stokes方程,MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构;与颤振明显的区别,各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导,一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合,使结构产生加速度,承受较大的惯性力载荷冲击,是引起结构疲劳的主要因素,验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

大涡模拟在超音速燃烧领域的应用研究

随着大涡模拟技术发展日臻成熟及目前计算机运算速度的提高,大涡模拟已经逐渐由理论研究阶段进入工程实用阶段.采用大涡模拟进行超音速燃烧数值模拟时,必须能够准确模拟小尺度上的燃料/空气湍流混合过程及化学反应动力学过程.本文回顾了大涡模拟中的主要亚网格模型及亚网格燃烧模型,总结了国内外采用大涡模拟在超音速燃烧研究领域的应用情况,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考.     

文氏管非定常空化流动可视化实验研究

结合高速摄影和脉动压力测量技术,在模拟发动机供应系统动力学边界条件的基础上,开展了某型文氏管非定常空化流动可视化实验研究.获得了空化区详细的内部结构和脉动压力数据,分析了空化区形态的变化和非定常特性.结果表明:随着空化数的降低,文氏管流场从初生空化、膜状空化,过渡至云状空化.在云状空化阶段,文氏管空化流场呈现出复杂的动态过程,空化区可以划分为附着型环向气泡膜和脱落型气泡云.附着型气泡膜作为一个整体,相对较为稳定,内部的压力波动很小.脱落型气泡云上存在大块云团的断裂、脱落和溃灭过程,产生明显的脉动压力峰,脉动压力在频域上表现为无固定频率的宽频带.空化区下游存在局部的高速逆向射流,驱动附着型气泡膜长度不断缩短和伸长,使得气泡膜的长度沿周向也出现明显的不一致.在云状空化阶段,文氏管下游系统出现了290～400 Hz范围的系统性自激振荡.     

离散型两相流动的大涡模拟

大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)的研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS modeling)相比,LES可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且在不少情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计平均结果.本文作者及其同事从2002年开始,用大涡模拟研究了气泡-液体流动的瞬态结构.后来从2005年至今陆续研究了气体-颗粒两相流动的大涡模拟、气体绕过单个颗粒流动的大涡模拟、以及有蒸发和燃烧的油滴周围的流动的大涡模拟.本文对作者及其同事近期进行的上述离散型两相流动的大涡模拟研究给出了简要的综述,包括控制方程、亚网格模型、数值方法、主要的模拟结果及其实验验证.     

液—液旋流分离管中强旋湍流的Reynold应力输运方程数值模拟

应用湍流Ｒｅｙｎｏｌｄ应力输运方程模型（ＤＳＭ）对液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟，并与ＬＤＶ测量结果进行了比较，结果表明：ＤＳＭ模型不仅较合理地预报出 切向速度的Ｒａｎｋｉｎｅ涡结构及其位置，而且提示了液－液旋流管中切向速度所特有的双峰分布现象；对轴向速度预报给出了近壁下行流，近轴上行流以及介于两者之间的零速区等；湍流动能在肇流管中的继上游近壁在、中部近轴大和下游近似均布，旋流管中的静     

旋转诱导轮缘密封不稳定流动特性及结构优化

针对无主流非均匀压力场影响下旋转诱导轮缘密封非定常流动问题,采用经旋转封闭腔试验验证的大涡模拟方法,研究了封闭轮缘密封腔内流动的不稳定性,在此基础上针对典型轴向与径向密封和实际发动机中可见的斜向密封等3种结构进行非定常雷诺平均数值计算,研究了典型轮缘密封结构下密封区域瞬时流场特性,并采用快速傅里叶变换与互相关分析方法揭示了轮缘密封区域大尺度涡结构的动力学特性,最后给出了不同轮缘密封结构的旋转诱导封严特性及密封结构优化的启示.研究结果表明:旋转诱导轮缘密封流具有固有不稳定特性,在轮缘间隙区域产生了一系列大尺度涡结构,它们沿周向以低于转子的速度传播,旋涡频率、转速与个数取决于轮缘密封类型,总体上旋转诱导斜向密封的封严效率优于轴向与径向密封.     

异重流在层结与非层结水体中沿斜坡运动的实验研究

异重流在层结环境下的运动特性是海洋、大气等学科领域重要的研究主题之一.本研究在不同层结盐水中开展一系列实验,对突然释放型异重流在斜坡上的发展和演变特性进行了研究.非层结水体中异重流头部速度先迅速增大,而后基本不变减速幅度较小;而在层结水体中异重流头部速度先增大,之后明显减小,其发展主要分为加速阶段、减速阶段和分离阶段三个过程.异重流的运动特性可以用相对层结度S、雷诺数Re和理查德森数Ri0等无量纲参数描述.采用高速相机对异重流头部位置、头部速度和剖面速度等进行了分析.用激光粒子图像测速技术(PIV)得到异重流的速度场和涡度场,结果表明在异重流不同位置的涡度方向存在差异,上边界的正向开尔文-亥姆霍兹涡是产生卷吸的主要原因,下边界的负向涡度则由边界层引起.本文揭示了层结与非层结水体下异重流运动特性的不同影响机理和特性,结果可在河口盐水入侵、海底浊流发展等实际领域中得到应用.     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性,针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先,通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次,基于数值试验和理论分析,对温度壁面律的表达式进行了修正;最后,推导了近壁区的热传导项表达式,更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后,对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值,且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布;数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用,可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度;而对于分离／再附点附近,壁函数的模拟精度相对较差,其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．     

多时间步长结冰数值模拟方法研究

时间步长是影响飞机结冰数值模批精度的重要参数之一。本文通过求解雷诺时均N-S方程,湍流模型采用k-ε两方程模型,获得空气流场,求解水滴运动轨迹方程获得水滴撞击特性,基于Messinger热力学模型求解能量和质量守恒方程计算冰形。并采用扇形分区法,更新机翼前缘结冰区网格,保持网格拓扑结构不变,实现多时间步长结冰数值计算。比较了采用单时间步长法争多时间步长法对翼型表面结冰增长数值模拟的计算结果,并与冰风洞试验数据及LEWICE预测数据进行对比。在此基础上,计算分析了不同时间步长对部件表面的结冰冰形的影响。结果表明,只有采用多时间步长法进行飞机结冰数值模拟方是有效的,并且存在一个合适的时间步长,既满足计算精度要求,又能提高计算效率。     

基于DES的叶片前缘气冷却的数值拟

为了评估弯曲冷却孔通道对涡轮叶片前缘冷却效率和流动结构的影响,本文采用分离涡拟（DES,Detached Eddy Simulation）方法,在全局吹风比M=0.7的条件下对AGTB涡轮叶栅进行了数值拟研究.直冷却孔和弯曲冷却孔被分别布置于叶片近前缘的吸力面侧和压力面侧.着重分析讨论了冷却孔附近区域的湍流场结构、顺压梯度对湍流场结构的影响、以及壁面冷却效率分布.数值结果显示,弯曲冷却孔通道对提高气冷却效率具有积极的作用.在吸力面侧,弯曲冷却孔的冷却效率比直孔的冷却效率提高了约82%,压力面侧提高了约77%.     

基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.     

等离子体气动激励近壁区密度场的时空演化特性

选用介质阻挡等离子体激励模型,通过高速纹影技术,研究静止大气下等离子体气动激励近壁区密度场的时序特征和空间结构,结果表明:诱导涡的启动、发展直至消散是一个非定常的启动过程,当体积力和大气阻尼达到平衡后,诱导涡停止加速,传播速度达到最大值;在脉冲放电模式下,流动以间歇脉冲的方式传播,连续放电模式无法产生封闭的诱导涡,流动呈紊流状;载波电压和占空比是影响诱导涡起始位置和最大速度的关键参数,随着占空比的增大,诱导涡的起始位置推后,诱导涡的最大速度与电压正相关,最大速度的位置随着电压的升高而后移;脉冲频率是决定诱导涡生成频率的主导因素,诱导涡的生成频率与脉冲频率严格保持一致;脉冲放电导致的速度阶跃变化是诱导涡的形成机制,激励器放电和空置的切换瞬间是涡核开始生长的时刻,占空比决定诱导涡的空间结构和推进模式.     

基于控制理论的透平叶栅气动反设计优化

本文应用控制理论,采用提出的基于网格节点位置坐标直接变分法,研究建立了一般性优化问题的伴随系统,研究发展了基于控制理论的轴流式透平叶栅气动反设计优化方法与系统.该伴随系统的推导过程以尽可能的减少计算资源为宗旨,应用分部积分公式和连续伴随方法,最终得到的目标泛函变分的表达式中仅仅含有网格坐标变分的边界积分项,避免了梯度计算过程中网格内部节点的重复生成,相对于传统的伴随方法更进一步节省了计算资源.伴随系统的数值求解采用ROE格式近似黎曼通量和显式五步龙格-库塔时间推进法,并使用多重网格技术和当地时间步长加速收敛.为验证本文伴随系统的稳定性、通用性、收敛性和精确性,通过定义不同的目标函数进行了考核,研究结果表明,本文所研发的伴随系统和反设计优化系统具有优秀的鲁棒性和高效性,能够有效应用于轴流式透平叶栅气动反设计优化中.在此基础上,结合本文所研究的气动优化理论,建立了应用Euler方程和N-S方程的伴随方法叶栅气动反设计优化方法与系统,研发了轴流式叶栅的二维、三维无黏及黏性条件下的压力反设计、等熵马赫数反设计软件,成功进行了数值算例研究,验证了该优化系统的有效性和经济性.