闭式离心压缩机几何建模对数值预测结果的影响

实验测试了一台闭式离心压缩机的整体性能,采用部件叠加的方法构造了不同的压缩机数值模型,研究了闭式离心压缩机堵塞流量及数值预测准确性的影响因素,提出并验证了采用等效叶片厚度替代叶片端壁圆角的压缩机结构修正方法.本研究的主要目的在于评估各种细微几何结构和简化处理对具有闭式叶轮的离心压缩机总体性能的影响,以此归纳出针对闭式离心压缩机合理的数值模拟策略.实验测得压缩机峰值等熵效率为80.28%,经等效叶片厚度修正后压缩机数值模拟所得等熵效率峰值为82.02%.研究结果表明轮盖间隙及其密封、叶片端壁圆角以及叶片加工误差是影响闭式离心压缩机性能的3个主要几何结构因素.闭式叶轮轮盖间隙泄漏流减小了叶轮的有效喉部面积,使堵塞流量减小,流道中部流体加速,叶轮扩压能力下降;一定的背压下,闭式叶轮的堵塞流量随叶片相对厚度的增加呈线性关系减小.在数值模拟时,采用等效叶片厚度修正闭式压缩机端壁圆角,可以使压缩机在保持小流量工况性能基本不变的同时,提高大流量工况的数值模拟准确性.     

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.     

扩压叶栅中拓扑与漩涡结构的研究

为进一步揭示扩压叶栅中旋涡的结构型式，以理解旋涡对损失的作用机理，主要使用拓扑分析和数值计算的方法，讨论叶片通道中马蹄涡、通道涡、角涡等二次流旋涡的生成、演绎与发展．提出了低能流体区与外部流动区分界面的概念，分析表明通道涡、马蹄涡和角涡都位于分界面内部（低能流体区），而集中脱落涡位于分界面外部（外部流动区）．在损失分析方面，采用了流动耗散函数而非熵增来表征损失的大小．结果表明，涡运动与损失的产生存在直接联系，即旋涡的中心附近都是局部损失核心；流道中损失最严重的区域是位于分界面附近而不是位于低能区里．     

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%.     

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．     

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.     

封闭空间内空气自然对流的非线性特性的实验研究

采用激光全息干涉照相技术和烟可视化方法，对底部加热长方体腔内空气自然对流的流动和换热的流场、温度场、三维特性及白维持振荡现象进行实验研究．通过仪表校核与误差分析，验证了恒温壁面均温性、激光干涉测量精度，并且得出如下实验结果：1）随着尺日数的增加，流动开始表现得不稳定，等温线也发生扭曲．当Ra数达到12500时，出现涡卷消融的现象，当Ra数超到18500时，不仅沿短轴方向出现涡卷，而且沿长轴方向也开始出现涡卷，上升的气流向四周降落，呈现羽毛状，流动由二维特性开始向三维特性转变．2）通过实验观察发现，在Ra数比较小的情况下，流动经过一系列变化过程之后，最后稳定在某一状态；随着R口数的增加，流动变得越来越快，越来越趋于不稳定，当超过某一临界值Rac=30500时，流动表现的不稳定，流场随时间不断变化，开始进入到非线性状态．3）当侧壁面向外漏热时，腔内流体会形成平行于长轴方向的两个长条状涡卷，涡卷从中间位置上升，从壁面两侧下降，并且实验过程中会出现三个涡卷的消融状态．     

涡环垂直撞击壁面的研究进展

旋涡是流体力学中极其重要的流动结构之一，人们对旋涡的研究已经有超过一百年的历史．近年来，涡环与固体壁面的相互作用引起了人们的广泛关注．这不仅因为旋涡与壁面的相互作用在工程中很常见，更重要的是这有助于人们进一步理解旋涡与边界层相互作用的机理．分别对涡环撞壁后涡结构的演化、涡环的周向不稳定性、合成射流涡环撞壁、涡环的压缩性对涡环撞击固体壁面的影响及涡环与可穿透壁面的相互作用等方面进行了回顾与总结，并指出了存在的问题及今后的研究方向．     

细长旋成体大迎角正则态非对称涡系结构的物理模型

在亚临界流动范围内, 对具有尖拱型头部的细长旋成体在无侧滑大迎角下利用在头部设置微扰动块取得稳定的、可重复的正则态非对称涡绕流流型. 通过对物面压力分布、截面侧向力分布和流动显示相结合的实验与分析, 揭示了细长旋成体在大迎角下这类正则态复杂涡系从头部沿轴向发展中所呈现出的非对称起始二涡和充分发展二涡、三涡等多涡系, 最后在尾部演变为类卡门涡系的复杂流型. 给出了这类涡系沿轴向演化与相应的截面侧向力变化之间的相关关系. 分析了截面侧向力分布曲线中的特征点所反映的涡系结构演化特征及其相应的压力分布特征. 在上述研究结果的基础上建立了细长旋成体大迎角正则态非对称涡系流动结构的物理模型.     

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．     

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．     

距离对合成射流涡环撞击壁面的影响

利用二维PIV测速技术研究了射流孔口与壁面距离对合成射流涡环撞击壁面过程的影响，分析了涡环撞击壁面的演化规律，给出了流场的统计特性．研究结果表明，不同的孔口与壁面距离的差异，最终体现在涡环靠近壁面时涡量强度及撞击速度的差异；基于孔口直径的无量纲距离接近或小于合成射流无量纲冲程时，涡环撞壁会在壁面附近诱导产生二次涡结构．因此，合适的孔口与壁面距离对涡环撞击壁面效果起着至关重要的影响．流场统计特性分析表明，涡环撞壁后形成壁面射流，其时均速度最大值衰减速率和射流半宽度扩展速率随孔口与壁面距离的增加而减小．无量纲化的壁面射流速度型均表现出自相似特性，并且与壁面层流射流的理论曲线吻合较好．     

涡轮增压器涡壳流场模拟及变工况特性分析

涡壳是涡轮增压器的重要组成部分，其运行的好坏直其影响涡轮增压器效率.本文采用CFD模拟方法，对变转速时涡壳内速度、温度分布进行模拟，从而得出了涡壳内的流场分布规律和变工况特性，并提出了用增速比和减温比来衡量涡壳效率，为改进和优化涡壳设计以使其工作在最佳工况提供可靠理论依据.     

零质量射流技术及其应用研究进展

零质量射流自20世纪90年代作为一项主动流动控制技术应用以来，由于其具有结构紧凑，无需气源管道等独特的优势，短时间就引起了众多研究者的广泛关注，成为目前流体力学研究的一个热点．主要从零质量射流在静止环境中的发展、零质量射流和横流的相互作用及其在控制分离流动方面的应用等三个方面进行了回顾，介绍了零质量射流在静止和有横流条件下的涡环／对发展规律、空间流场结构以及几个主要无量纲参数的影响规律，最后介绍了零质量射流在控制圆柱尾迹、翼面流动分离以及在MAV／UAV上的应用情况．     

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.     

不同大气稳定度下绿化街谷流动的大涡模拟

耦合大涡模拟与植被阻力、热源项模型, 提出了城市灌木绿化街谷内风场和污染物浓度分布的热、动力数学模型. 首先利用均匀植被层边界层湍流算例考核了模型的合理性以及程序的稳定性, 表明本文模型能较好模拟植被层内部速度分布, 并能对温度变化做出正确响应. 对形状因子为0.5 的理想绿化街谷, 研究了街谷大气不同稳定度对街谷内风场和污染物浓度分布的影响. 结果表明, 相比于裸露街谷, 植被层的引入减弱了街谷内环流风场强度, 同时减小了街谷顶部污染物置换速率(pollutant exchange rate, PER), 导致绿化街谷地面、背风面和迎风面附近污染物浓度增加. 对于街谷大气稳定度对绿化街谷内风场和污染物浓度分布的影响, 街谷大气强不稳定情形下, 街谷顶部、地面、背风面和迎风面附近, 风速比街谷大气中性层结时明显降低, 污染物浓度相应增加; 街谷大气弱不稳定情形下, 街谷顶部和迎风面附近, 风速有轻微减弱, 同时, 街谷地面和背风面附近, 风速有加强趋势, 导致绿化街谷内污染物浓度在迎风面和背风面比中性层结时减小, 而在两排植被层之间有所加强. 关于街谷大气稳定度对街谷顶部PER 的影响, 街谷大气弱不稳定情形街谷顶部PER 要比街谷大气中性层结时小, 而街谷大气强不稳定情形街谷顶部PER 最小.     

超声速湍流燃烧火焰面模型理论分析

火焰面模型由于具有物理直观、计算效率高等优点，受到了学术界的高度重视，并逐渐被用于超声速燃烧的数值模拟中．但是，火焰面模型是从低速流中发展起来的，超声速流中火焰面模型假设是否成立，火焰面模型能否用于描述超声速燃烧，亟需澄清和证实．基于此，本文从理论上对超声速燃烧流场中是否存在火焰面模式进行判别．首先讨论了湍流脉动与火焰面之间的相互作用，给出了不同作用程度下所呈现的燃烧机制；然后对超燃冲压发动机燃烧室内部湍流流动与燃烧的特征尺度进行计算和比较，用于判定超声速流中火焰面模型假设是否成立，结果发现对预混燃烧，考虑实际低速回流区／剪切层中脉动速度较低，所有飞行马赫数下超声速燃烧流场均满足火焰面模型假设；对于非预混燃烧，除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外，其余也均满足火焰面模型假设；最后以德国宇航研究中心的支板喷氢超声速燃烧流场为例进行数值计算，以便从定量上对燃烧模式进行细致判别，结果发现超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区，且整个流场中火焰面模型假设成立．     

尾迹撞击平板诱发旁路转捩前期拟序结构的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和PIV实验研究了圆柱尾迹与平板前缘发生直接撞击后平板边界层旁路转捩特性,包括边界层旁路转捩前期拟序结构演化及其对流场统计特性影响.结果表明,尾迹撞击平板后能在平板上表面近壁区生成尺度较小展向涡;这些展向涡或者是尾迹涡被平板前缘切割后在近壁区残留部分,或者是由过前缘尾迹涡所诱生成.近壁区展向涡生成使边界层内流向速度脉动最大值在早期即出现快速增长.另一方面,尾迹对平板撞击作用主要体现在圆柱尾迹中发辫涡结构在流经平板前缘时被撕裂,受RDT机制作用在流向上被迅速拉伸形成近壁区流向涡.其后取代展向涡与条带一起成为近壁区主要流动结构,使流向速度脉动最大值出现二次增长.实验中转捩前期近壁区流体同时感受二维动和三维动,使转捩进程相比于尾迹与边界层不发生直接撞击时更加快速.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型，通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时，孔隙率越大，反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小；孔隙率降至5％时反射波接近于单峰；应变率越高上述现象越明显；2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加，WJ／W1对应变率较敏感；3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙，应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙，原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显；孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关，低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主，但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少；高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制，其中孔隙变形占较大比例，应力波能量大部分被消耗于孔隙变形，表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

一种单相机三维体视PIV技术及其应用

三维体视粒子图像测速(Volumetric PIV)是获得空间体内三维速度场的激光测速技术.本文详细介绍了一种单相机三维流场测速新方法,其原理是在相机与被测流场之间加装一个三棱面特效透镜,光线通过该透镜三个棱面的折射能实现多相机不同视角成像的效果,经过三维粒子的重构,进而实现三维体视PIV的测量.论文对三维空间标靶标定、标定函数的自修正和三维粒子重构进行了误差分析.在零质量射流涡环测量方面的应用表明,该方法能够获得零质量射流涡环三维流动结构的时序结果,且具有较高的测量精度,体相关分析经过两次迭代后速度矢量的辨识率能达到95%左右.涡结构的辨识分别采用了ci与涡量判据,通过比较可以看出ci判据能有效的消除射流剪切流动的影响,对旋涡结构的辨识明显优于涡量判据.