平面槽道流中层流-湍流转捩的“breakdown”过程的内在机理

层流-湍流的转捩是一个古老但依然没有解决的问题. 尽管对转捩的研究付出了巨大的努力, 但仍然有一个重要的问题还没有涉及到, 那就是最终导致转捩的breakdown的内在机理是什么? 传统的看法是转捩从扰动的放大开始. 由于非线性的作用, 当扰动增长时, 高次谐波将产生, 流动变得越来越复杂, 最终导致湍流. 这一过程似乎非常清楚, 但却漏掉了一个环节, 即转捩的breakdown过程究竟发生了什么. 我们对直接数值模拟的结果进行了分析, 分析的结果表明, 平均流剖面稳定性特性的改变在breakdown过程中起了关键性的作用.     

竖直加热平板自然对流边界层中流动稳定性与转捩过程的实验研究

对恒壁温竖直加热平板的自然对流边界层的流动稳定性与转捩过程进行了试验研究,研究结果表明在外层速度剖面拐点处测得的线性不稳定波的特性与Brewster和Gebhart的计算基本一致。在低频成分首先增长后,随着Grashof数的增加高频成分迅速发展,在湍流化过程中逐渐形成浮力子区;与此同时,在内层近壁处的测量发现,在更高频段存在一种具有较强选频特性的不稳定波及其亚谐波,并在转捩后期 Gr≈378.6 时于其频谱的高频一侧逐渐形成惯性子区。     

雷诺时均模拟的两种转捩模型比较

对两种基于RANS方程的转捩模型进行分析讨论,这两个模型都只需采用局部变量计算,其中SST-γ-Reθt模型基于实验经验公式,层流动能模型基于转捩现象。两个模型都被耦合到RANS低雷诺数湍流模型中,并通过不同工况下T3系列平板的数值计算对模型进行评估。结果表明转捩模型较原湍流模型需要消耗更多计算资源;相对层流动能模型,SST-γ-Reθt模型对y+更为敏感,在无压力平板算例中两个模型能够较为准确地预测转捩,只有在湍流度增大时,SST-γ-Reθt模型预测的精度才会下降;在有压力梯度情况下,两个模型预测转捩起始点都较实验值延后,当来流雷诺数较大时层流动能模型预测的转捩长度较实验值偏小;从平板上不同位置(层流区、转捩区和湍流区)湍动能的分布情况能够看出SST-γ-Reθt模型只是在数值上模拟转捩过程,并不考虑转捩内在规律,层流动能模型预测结果与实验值较为吻合。     

可压缩钝楔边界层转捩到湍流的直接数值模拟

直接数值模拟了来流Mach数为6的钝楔边界层在特定扰动(音速点附近壁面吹吸)下的转捩到湍流的整个过程. 分析了平均速度剖面, 脉动速度均方根及剪切应力等统计量, 并与不可压理论及实验结果进行了比较. 展示了转捩过程中的涡结构并分析了压力梯度对转捩的影响.     

翼面吸气混合层流控制的数值研究

本文采用Menter发展的γ-Reθ转捩/湍流模式预测平板和超临界RAE-2822翼型的转捩特性,验证了该转捩模式的有效性和可靠性,同时获得网格分布等规律.在此基础上开展某超临界翼型上表面及其前缘结冰时吸气层流控制后的转捩预测,分别获得干净和结冰外形下混合层流控制对转捩的影响规律.结果表明,合理设计的层流控制对干净翼型表面转捩推迟明显,能有效减阻;在结冰情况下,层流控制几乎失效.     

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、DhawanNarasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.     

超音速平板边界层湍流的直接数值模拟及分析

用时间模式对来流Mach数为4.5的平板边界层湍流进行了直接数值模拟. 发现当湍流充分发展后, 其平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布都具有相似性. 但压缩性效应已较强而必需考虑, 强Reynolds比拟不再有效, Morkovin假说不再成立. 从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程, 其间上述相似性不成立.     

超声速边界层气动光学效应及控制研究

光学成像制导技术是精确制导武器研究的重要课题，气动光学效应的存在对制导精度产生严重的影响，使飞行器偏离目标位置，甚至脱靶。飞行器和来流之间的相互作用导致其周围流场结构非常复杂，激波、膨胀波以及湍流边界层的存在，使得流场的折射率在空间上分布不均匀，在时间上存在高频脉动。其中，边界层转捩过程引起的气动光学畸变是亟待解决的最大难题。边界层转捩过程是边界层由层流向湍流发展的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性、复杂的流动现象，并且一直是湍流研究领域的热点问题。超声速边界层的转捩区具有非常强的非定常性、随机性，且脉动频率高，因此折射率分布极为复杂，光线透过后不仅会发生偏折，还会导致成像模糊和能量分散，严重影响成像制导的精度，通过光学校正的方法很难降低这种影响。本文试图通过延迟边界层转捩，来降低甚至消除超声速边界层转捩对光学传输性能的影响。以超声速旋成体飞行器光学窗口周围的边界层流场为研究对象，本文采用添加扰动片的流动控制方法对边界层气动光学效应变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明：随着攻角的增大，光程差分布由沿着对称面对称分布逐渐过渡为沿流向的变化，且逐渐平缓；施加了扰动片控制后，原本处于光...     

矩形微细通道内流场的可视化实验研究

以蒸馏水为工质,水溶伊红为着色剂,对水力直径为419.2μm,相对粗糙度为3.86%的矩形不锈钢微槽内流动流态进行了可视化实验研究.经光学显微镜放大后由CCD相机拍摄,得到了不同Re数下矩形微槽内的流型图,同时测量了微槽内的摩擦阻力系数.可视化实验表明随Re数增大,出口段、中间段及入口段依次出现层流向湍流过渡,层流向湍流过渡是渐进的、连续的.摩擦阻力实验表明无论层流区还是过渡区,摩擦阻力系数均高于传统理论预测值,由于转捩提前层流区摩擦阻力系数随Re数增大,与传统理论预测值偏差越大.可视化实验与摩擦阻力实验均表明层流向湍流过渡的临界Re数在1 500左右.     

基于γ-Reθt模型的高升力低压涡轮叶栅分离诱导转捩研究

应用γ槇-Reθt转捩模型对T106C高升力、低压涡轮叶栅进行数值模拟。分析了该模型在不同雷诺数工况下对层流分离诱导转捩的模拟精度。γ槇-Reθt模型通过求解关于间歇因子和当地转捩雷诺数两个输运方程,给出转捩起始位置和转捩区长度等信息;并且对层流分离诱导转捩进行了特定修正。结果显示,中、高雷诺数工况转捩模型预测结果与实验值较为一致,而低雷诺数工况模型预测的分离区域明显小于实验结果。降低入口黏性比可以有效改善低雷诺数工况的预测结果,湍流强度对分离点位置及分离区域大小有很大影响。     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

竖直加热平板自然对流边界层中流动稳定性与转捩过程的？…

对恒壁温竖直加热平板的自然对流边界层的流动稳定性与转捩过程进行了试验研究，研究结果表明在外层速度剖面拐点处测得的线性不稳定性的特性与Ｂｒｅｗｓｔｅｒ和Ｇｅｂａｒｔ的计算基本一致。在低频成分处先增长后，随着Ｇｒａｓｈｏｆ数的增加高频成分迅速发展，在湍流化过程中逐渐形成浮力子区，与此同时，在内层近壁处的测量发现，在更高频段存在一种具有较强选频特性的不稳定波及其亚谐波，并在转捩后期Ｇｒ≈３７８．６时于其     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题.虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究.文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征.     

转捩中平均流剖面对扰动波演化的影响

对槽道流的常规转捩直接数值模拟发现，在转捩“breakdown”即将发生时，除个别T-S波以外，流场中较大幅值的波都已经停止增长；在转捩“breakdown”发生前到发生过程中的短时间内，非线性作用没有明显变化的情况下，典型未增长起来的波的实际增长率却增加了2个数量级以上．分析表明，平均流剖面稳定性改变使非线性作用的支持相对于衰减率有了明显的优势，于是流场中占大多数的长期受衰减率抑制的未增长起来的波能够急速增长，导致转捩的“breakdown”过程迅速完成．     

逆转捩过程中混沌特征的实验研究

利用逆转捩过程中的瞬时速度时间序列计算了逆转捩过程中反映系统无序运动程度的非线性动力学参数,即相关维数、最大Lyapunov指数和关联熵。计算结果表明,在逆转捩过程中存在混沌现象;逆转捩过程与转捩过程相反,流动形态经历了湍流－混沌－层流的演化过程。     

流动的稳定性和转变理论与应用：有效的数值方法及其计算机程序

本书介绍了流动从层流到湍流的转变过程和求解方法，其理论基础为线性稳定性理论，所用方法为线性稳定性理论可精确执行的数值方法。本书主要内容为壁面边界层的转捩，对基于N—S方程的处理方法也有涉及。书中还详细介绍了这些方法在螺旋桨、机翼等方面的应用。     

稀疏波对预混火焰影响规律的试验研究

为揭示稀疏波与层流传播火焰的相互作用规律,以管道中传播的丙烷-空气预混火焰为研究对象,利用高速纹影摄像和压力测试等手段对稀疏波与火焰的干涉过程进行了研究．实验过程中采用不同的点火方案,分别对同向稀疏波和逆向稀疏波与火焰的干涉作用进行了研究．实验结果表明,稀疏波的干涉作用均能使火焰阵面结构发生变化、火焰产生明显震荡,并导致火焰由层流向湍流燃烧的迅速转变;但在稀疏波对火焰的作用的初始阶段,同向稀疏波会明显降低火焰传播速度,而逆向稀疏波则迅速增大火焰传播速度,并伴随着剧烈的震荡．     

高超声速边界层转捩的几点认识

边界层转捩问题是高超声速飞行器研制过程中必须关注的关键问题之一,世界各航空航天大国都大力支持相关研究,且近几年的资助呈现增长趋势.本文结合风洞实验、数值模拟和理论分析,对该领域目前存在的一些热点问题开展了相关研究,并提出了自己的观点.(1)在Φ1 m高超声速风洞中得到了单位雷诺数、攻角和头部钝度对钝锥边界层转捩的影响规律.(2)头部钝度对高超声速边界层转捩的影响存在趋势反转现象,但国际学术界迄今尚未找到合理解释.本文提出应考虑前缘激波对自由流扰动的影响,同时应从钝前缘感受性和熵层效应两个角度研究这种反转现象.本文从这两个角度出发,通过直接数值模拟(DNS)和稳定性分析获得了一些初步结果.(3)在转捩后期,第二模态扰动波增长到一定阶段后会出现安静区,紧接着出现低频模态,本文通过DNS和模态分解等方法揭示了第二模态和低频模态之间的关系.(4)最后介绍一种新的饱和横流涡二次失稳模态,它的增长率与Z模态相当,但是由法向剪切引起,被命名为Y′模态.     

外加周期力控制漂移波湍流时运动对称性的研究

通过将一维驱动耗散非线性漂移波方程的解分成定态波和扰动波两部分,并对傅里叶变换后各模式的扰动波自能及其与定态波的相互作用能进行数值计算,我们发现,利用外加周期力成功控制漂移波湍流时,主模式在鞍形波势阱中的对称性质恢复到激变前层流时的状态.在激变前的层流态,振子的运动集中于负能态;激变引起了主模式对称性的突变,激变后的湍流态,振子的运动以正能态为主;而在强湍被成功控制后的层流态,主模式的对称性又一次发生了突变,振子运动又恢复到负能态.这种统计意义上的运动对称性的变化是强湍得以控制的内在原因.     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题．虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究．文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征．