涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离的涡结构研究

为了研究涡旋射流控制边界层分离的物理机理,设计、搭建了涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离实验台,在此基础上对低雷诺数下平板边界层分离及射流控制进行了实验和数值研究.通过对比不同射流控制方式的统计特性及射流控制效果,揭示了射流流场大尺度相干结构的演化规律.射流瞬时流动细节的研究表明:发卡涡和类发卡涡是逆压梯度环境下直射流和斜射流中比较典型的涡结构;在斜射流中,随着类发卡涡的发展,射流孔下游发展成熟的类发卡涡涡腿外侧出现了不断增强的次生流向涡结构;次生涡结构对壁面附近能量的增大和质量的输运、耗散具有重要的作用.经对比发现,斜射流控制流动分离的效果明显优于直射流.     

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.     

合成射流控制下低压高负荷透平叶片边界层分离大涡模拟

为了研究合成射流对低压高负荷透平叶片边界层流动分离进行控制的效果及机理,采用大涡模拟方法对利用合成射流控制低压高负荷透平Pak-B叶栅内的非稳态流动分离特性进行了研究.在合成射流控制下的结果表明:Pak-B叶栅吸力面流动分离位置变化不大,再附位置明显提前,叶栅吸力面尾缘区域逆压梯度明显减小,总压损失系数降低,分离泡尺寸缩小;叶栅吸力面大部分剪切层黏附于壁面,也未出现大尺度二维展向涡,静压脉动特征频率向高频转移,低频脉动幅值降低,大尺度涡旋结构发生变化.通过研究还发现:在吹气过程中,边界层外部高能流体被射流卷吸进入边界层内,边界层内流体能量增大进而抑制了分离;在吸气过程中,射流孔上游区域边界层厚度减小,流速增大,从而抑制了下游流动分离.     

挡板角区分离涡演化模态的PIV研究

本文通过在水槽中利用PIV测试技术研究了平板与挡板形成的角区流场。角区内流场由于存在逆压梯度和粘性作用流动发生分离,形成大的分离漩涡,同时在主分离涡上游往往会诱导产生涡量较小的次级涡。重点关注了雷诺数对角区流动结构演化发展的影响,发现当雷诺数小于2653时,流场是定常的;当大于4592时分离涡的演化则是一个周期性的过程,呈现出非定常特性。     

水力机械三维分离准则的探讨

水力机械的分离为三维流动，三维流动的侧向压力梯度产生边界层的二次流动。文中将边界层内的速度分布分为近壁粘性层和接近于主流的外层两部分，通过研究垂直于主流方向的二次流动和主流的相关性，结合三维分离线的邻近流动特性分析提出了通过主流流场参数和沿流向的二维边界层流动来判断三维流动分离的准则。在垂直于三维分离线的截面内，其流动性态和二维分离相类似。边界层的二次流动和侧向压力梯度，以及二者的相互作用是影响水力机械三维流动分离的重要因素。当主流逆压梯度的方向与二次流动的方向均在主流方向一侧时，流动的三维效应使得三维流动比二维流动不容易分离。当主流逆压梯度的方向与二次流动的方向分别在主流方向的两侧时，三维流动较易产生分离     

逆压梯度边界层壁面局部微振动诱导大涡结构

以边界层流动的Falkner - Skan解为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了单个周期壁面局部微振动诱导有压梯度边界层内大涡结构的演化过程.结果表明:无论是零压梯度或者逆压梯度边界层中,大涡结构初始扰动速度分布面积与幅值是相似的,但随着时间的推移,不同逆压梯度边界层中的大涡结构扰动速度幅...     

绊线对叶片根部马蹄涡的影响研究

为了降低叶片根部马蹄涡的强度,在简化了的叶片-平板结构的上游某位置布置一根绊线.选用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,使用fluent软件数值模拟不同固定位置、不同高度及不同形状的绊线对叶片根部马蹄涡所产生的影响.结果显示,每一种绊线都能不同程度地削弱马蹄涡系.放置在距离叶片根部d/T=1处且高度h/T=1/20(T为叶片最大厚度,d为绊线距离叶片距离,h为绊线高度)的方形截面形状的绊线,对绊线后的流动分布、流向涡空间尺度和马蹄涡的涡量整体控制有较好的效果.同时定义了表明马蹄涡强度的涡强系数(基于马蹄涡涡心涡量及涡心位置),在此控制工况下涡强系数降到原来的16%.另外,在考虑减小绊线对上游流动影响的情况下,截面为斜角30°的绊线是比较好的选择.     

封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性

为研究封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性,对普朗特数,Pr=0.71,方腔高长比A=H/L=1,瑞利数Ra=1.58×109的二维封闭方腔自然对流进行了直接数值模拟. 给出了水平边界层发展阶段和垂直边界层转捩阶段的流场结构以及Nu数分布. 结果表明,压力梯度对方腔的水平速度变化起着决定性的作用;高Ra数下的自然对流在逆压梯度作用下水平方向形成一系列的涡,这些涡使得水平边界层流动形成分层结构;壁面Nu数与速度梯度?v/?y有着密不可分的关系.      

大涡结构在有压梯度边界层流中的演化机理

采用直接数值模拟方法,研究大涡结构在不同压力梯度作用下的非线性演化特征.计算结果表明:在逆压梯度条件下,大涡结构幅值快速增长,形成很强的流向涡结构,雷诺应力迅速增加,这可能导致猝发现象的产生;与此相反,在顺压梯度边界层流中,大涡结构很难被激发起来,易于流体流动趋于稳定状态.这些结论与某些理论和试验结果一致.     

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.