融合体型机身大攻角流动结构及特性研究

针对现代飞机布局中融合体型机身的大攻角复杂绕流,通过测压及PIV风洞实验对头部扰动对融合体机身流动的影响及融合体机身背涡结构进行了研究.在模型头部设置人工扰动的实验表明融合体机身气动特性不会受到头部扰动的影响,常规旋成体机身的不确定性问题在融合体机身中并不存在;其次,大攻角下融合体机身背涡沿轴向从前往后可依次分为锥形流线性发展区、背涡强度衰减区、背涡非对称破裂区及完全破裂区,文中给出了这种背涡结构与相应截面气动力沿轴向变化之间的关系;再次,本文给出了融合体机身背涡涡心轨迹及背涡结构沿轴向分区特性随攻角的演化规律;最后,本文在Re=1.26×105~5.04×105范围内对融合体机身Re数效应的研究进一步证实了前人的结论：融合体型机身绕流对Re数影响的不敏感性,Re数仅对绕流中的二次分离和相应的吸力峰值产生较小的影响.     

复杂构型细长体飞行器大迎角气动不确定性机理研究

细长体飞行器在大迎角绕流时,一般存在非对称分离的问题.对带三组翼面的细长体飞行器模型,通过在自由来流中加入随机脉动,开展了大攻角横侧向气动力不确定性的数值模拟研究.基于流场结构的物理分析表明,横侧向气动力的不确定性来源于弹身非对称分离涡对扰动的高度敏感性.基于这一认识,进一步分析了不同布局飞行器气动不确定性差异的原因及其随迎角的变化规律.最后,根据地面模拟与实际飞行条件的差别,模拟了快速拉起动作和突发短暂的大气扰动等非定常现象对飞行器气动不确定性的影响.结果表明,该飞行器在实际飞行时,气动不确定性比静态结果小很多,应该能够实现可控的机动飞行.     

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.     

头部厚度分布对飞翼布局失速特性影响研究

跨音速条件下,大后掠飞翼布局翼身厚度分布影响激波/前缘涡干扰,进一步影响全机的失速特性.本文采用数值模拟方法,研究了跨音速时头部翼身厚度分布对小展弦比飞翼布局失速特性的影响规律及其对失速迎角附近激波/前缘涡干扰特性的影响.研究结果表明,减小机身头部厚度,将使机身背风侧第一道激波位置后移,激波/前缘涡干扰减弱,涡破裂点位置后移.将座舱位置后移10%机身长度,可使背风侧第一道激波位置后移到后缘附近,前缘涡破裂迎角增大4°左右,使全机失速迎角和可用升力系数增大,显著改善失速特性和俯仰力矩上仰特性.同时,将机头座舱位置后移,有利于减小全机的航向静不稳定裕度,提高航向静稳定性.该研究为大后掠飞翼布局气动布局设计和流动机理分析提供基础.     

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.     

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.     

环形旋转冲击射流热流特性的实验研究

实验研究了由导向叶片引起的环形旋转冲击射流的流动与传热特性,并与传统环形冲击射流进行了比较.采用粒子图像测速法观察了不同冲击距离下两种射流的出口流动结构;测量并对比了两种射流在均匀加热冲击靶板上的局部压力及传热分布.对于环形冲击射流,所测得的流动结构、壁面压力及传热分布与公开数据一致;在足够大的冲击距离下,该射流显示出类似于单个圆管冲击射流的特征.对于环形旋转冲击射流,在中小冲击距离下,局部压力和传热系数在冲击靶板上的分布与传统环形冲击射流相比更不均匀,但总体传热性能更好,这是由于漩涡在导向叶片下游脱落、对流所致;在较大的冲击距离下,环形旋转射流未显示出类似于单个圆管冲击射流的特征,且由于高动量耗损,其传热性能低于传统环形射流.     

倾斜圆管内超临界压力CO_2流动换热数值分析

对超临界压力CO_2在内径为10 mm、加热长度为2000 mm、倾斜角度α=45°的倾斜光管内向上和向下两个方向的流动与传热行为进行数值计算.采用SST k-ω低雷诺数湍流模型,通过超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热的实验数据验证了计算模型的可靠性和准确性,分析了倾斜圆管内壁温度T_(w,i)和对流换热系数h沿圆管轴向和周向的变化规律.基于超临界压力CO_2在类临界温度T_(pc)处发生类气-类液"相变"的"类沸腾"假设,研究了超临界CO_2在倾斜圆管内不同方向流动时顶母线壁温分布产生差异的原因,通过获取圆管横截面内速度分布、物性分布和湍流分布等详细信息,重点分析了产生这一差异的传热机理.计算结果确定了类气膜厚度、轴向速度u、湍动能k和黏性底层厚度δ_(y+=5)是影响不同流动方向时顶母线壁温分布差异的主要因素.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

底部加热长方体腔内空气自然对流的稳定结构及三维特性的研究

采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法对底部加热长方体腔内空气的自然对流进行了实验研究和数值计算.1）当四周壁面绝热时,腔内流体形成平行于短轴方向的多个长条状涡卷,而平行于长轴方向没有形成涡卷.当Rayleigh数较小时,腔内流动表现出明显的二维特性,沿短轴各个截面的涡卷流动基本一致,三维模型平行于短轴的各截面平均Nusselt数除了边壁处差别较大,中间大部分区域均与二维模型平均Nusselt数比较接近,腔内的空气流动在长轴方向除了边壁附近差别较大,中间大部分区域均呈现明显的二维特性,二维与三维模型计算结果一致,且与实验结果吻合.随着Rayleigh数的增加,涡卷数量与形状都会发生改变,在腔内出现多边形的涡卷,腔内的流动表现出明显的三维特性,此时采用三维模型才能取得与实验一致的计算结果.2）侧壁绝热或者传热量较小时,长高比为16时,三维模型计算得到与实验一致的结果,形成平行于短轴的10个长条状涡卷.当侧壁面有传热时,方腔内流动形成了平行于长轴方向的涡卷,并且热流方向相反时涡卷的旋转方向也相反.3）底部加热长方体腔内空气的自然对流换热,低Rayleigh数时流动和换热处于稳态,当Rayleigh数超过某一临界值时,流动和换热就会发生非线性振荡.随着Rayleigh数的增加,流动的情况基本分成四个区域：稳定区域、单倍周期区域、多倍周期区域和混沌区域.     

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.     

压电驱动自耦合射流流动和换热特性实验研究

采用三维粒子图像测速仪、热线风速计和红外热像仪对狭缝喷口自耦合射流的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了实验研究．结果表明，在紧邻喷口的法向距离内，涡对周期性地生成、破碎和融合，在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流；随着自耦合射流的发展，呈现在喷口短轴方向急剧向两侧扩展、而在喷口长轴方向先收缩后缓慢扩展的流动特征．激发器存在两个谐振频率，使得自耦合射流的速度和涡量比较大，其中高频谐振频率效果更好；实验得到的两个谐振频率在数值上与理论分析有一定差异，低频谐振频率相对差值更大．与常规射流冲击冷却相比，自耦合射流冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势，但最佳冲击间距值却明显高于常规射流，而且自耦合射流的作用范围大，表明自耦合射流具有强的夹带能力和穿透能力．     

合成射流改善S形进气道流场特性的研究

S形进气道存在严重的流动分离及二次流现象,导致进气道出口总压恢复系数低、流场畸变严重.由于二次流的存在,进气道内流场三维性较强,常规的在展向或周向施加等量的控制针对性并不强,本文在矩形进气道模型上游弯道流动分离处不同展向位置施加等强度的合成射流控制,研究不同展向位置对控制效果的影响.首先对进气道内流动分离和二次流的相互作用进行了分析,发现在进气道展向不同位置二次流可能会抑制或加强流动分离,流动分离也会使二次涡加强,导致出口局部区域压力恢复非常低.在展向不同位置施加控制,可通过改善展向不同区域流动分离来产生不同旋转方向的流向旋流和二次流相互作用,降低二次流的强度,获得较高的总压恢复.     

转子斜槽及不同槽斜度对鼠笼式异步电机损耗影响的时步有限元分析

为研究转子斜槽及不同槽斜度对电机损耗的影响,利用多截面场-路耦合时步有限元法,针对一台5.5kW异步电机,分析了转子斜槽后定转子铁心典型位置的基波及谐波磁场沿轴向的分布特点,经分析得出如下结论：斜槽一方面会降低定转子谐波电流产生的谐波铜耗;另一方面会引起电机内部磁场沿轴向分布不均匀,导致铁心饱和严重、铁耗增加,且负载越大斜槽对铁耗的影响越明显.进一步研究了槽斜度在0.5～1.5个定子齿距之间变化时电机各项损耗的变化情况,最终得出当转子斜0.8个定子齿距时文中5.5kW电机的总损耗最小,同时也能够有效削弱齿谐波磁场.     

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.     

耦合节理上下表面形貌参数关系

节理的表面形貌特征对节理的力学和水力学性质有重要影响.在地下岩石工程施工过程中,会有大量的人工节理产生,为了研究人工节理表面的形貌特征,采用巴西劈裂法制作耦合良好的人工节理,用 TalysurfCLI2000三维非接触式激光形貌仪扫描各节理的两表面,分别计算了各表面粗糙度的最大峰高、算术平均值、偏态系数值、峰态系数值和 JRC值,对比分析耦合节理两表面的形貌参数值,发现如下规律:1)耦合节理两表面的最大峰高、表面高度的算术平均值和高度分布的峰态系数值近似相等,不同节理的算术平均值和高度分布的峰态系数值相差较大;2)大部分耦合节理两表面高度分布的偏态系数值表现出一正一负,个别节理两表面的偏态系数值同为负;3)耦合节理两表面的峰点分布曲线变化一致,且峰点数量集中分布在节理表面中间高度范围内;4)耦合节理两表面的 JRC值近似相等     

基于高阶兰伯特算法的碎片云密度演化分析

空间目标解体形成的碎片云在太空不断演化,持续威胁着在轨航天器的安全运行.传统方法多将碎片云视为独立个体的集合,对个体进行推演以获取整体演化特性.这类方法虽易于实现,但需要大量样本以致效率较低.考虑到碎片分布的不确定性特征,可利用概率密度变换方法来计算碎片云在空间的密度分布.基于微分代数技术构建了高阶兰伯特算法,再求解系统雅可比的高阶近似,获得了碎片云密度的高阶展开式.通过对解体碎片云的密度演化分析计算表明,采用高阶方法可将计算效率提高10倍,得到的结果相对误差在1%以内.     

页岩气直井非稳态非线性渗流的数值计算及产能预测

结合我国南方海相页岩气藏的实际,针对页岩气藏的特殊孔隙结构及多尺度流动的特征,首先由Knudsen数判断出储层主体流态为滑移流,并指出页岩气在页岩多孔介质中的传输过程是一个等温过程.然后修正了Beskok-Karniadakis二阶近似模型,建立了致密页岩气直井平面径向非稳态非线性渗流问题的数学模型.进一步应用玻尔兹曼变换将问题简化,并给出了求解压力场的数值离散显式迭代格式.最后数值计算得到了内边界定压条件下直井的压力场随时间、空间分布曲线,预测了产量随时间变化的规律,并分析了解吸、滑移和扩散效应对产量的影响.     

万向联轴节速比关系式及带传动压轴力计算式等的修正

根据多体理论,在右手坐标系中推导出万向联轴节主、从动轴之间转速关系.以主动轴为研究对象,求得在既定位置中间十字架上某点的坐标,再根据中间十字架的特点,求得从动轴某点的坐标,从而确定从动轴的转角,进而得出主动轴与从动轴的位置关系,再而通过求导得到两轴的速比关系式.该关系式与采用矢量计算法得到的结果相同.根据微积分原理和力的叠加原理,考虑离心力,分析了带传动中带的受力情况,推导了拉力表达式.导出了一种压轴力简化计算式.提出了一种详细计算压轴力的方法:在进行微段带的受力分析时将轴向压力分解在两个正交方向上,然后时两组算式沿带长进行积分,求得两个方向上的压轴力,最后将两力合成为带传动作用在带轮上的压轴力.以上修正可作为相关教材教学内容的补充.     

非均质底水油藏水平井沿程水淹模型

地层非均质性和井筒压降是水平井沿程见水不均匀的两个重要影响因素.本文建立了底水油藏地层两相渗流与水平井井筒变质量流的耦合模型,并给出求解方法.保持井筒沿程平均渗透率和变异系数不变,构造不同的渗透率分布,并以此为基础,利用所建模型对井筒沿程产液剖面与渗透率剖面关系、井筒沿程含水率变化规律和水平井井口含水率变化规律进行分析.研究表明,由于井筒压降的作用,沿程渗透率分布对水平井含水率的变化有很大的影响,井筒沿程产液剖面与渗透率剖面相关性沿流体流动方向逐渐变差;在井口定产液量的条件下,高渗带与跟端距离越近,高渗带处产液量越来越大、水平井见水越早、井口含水率上升得越慢、开发效果越差.