定常喷/吸流动主动控制方法减阻研究

针对Ahmed类车体,在车身斜面选定位置处设置控制槽,采用证明为有效的大涡模拟数值方法,研究喷/吸流动主动控制方法的气动减阻机理及效果.基于流场数据分析发现喷射控制致使车体斜面上流动大分离发生,拖曳涡对得以消除,但尾迹区尺度增大,气动阻力上升;抽吸控制方法抑制和消除展向涡结构的产生及发展,但拖曳涡对未受显著影响,气动阻力下降.     

低雷诺数翼型分离流动的大涡模拟研究

采用高精度大涡模拟算法,对低雷诺数下的孤立翼型分离流动问题进行研究,计算了雷诺数为55000、马赫数0.2、来流5°攻角下的NACA-0025翼型,生成数值数据库,从时均流场、瞬态流场、频谱和高阶统计量等多个角度进行分析.研究结果表明:大涡模拟方法能够很好的描述低雷诺数翼型分离流动,其瞬态流场图画与实验结果吻合的很好;翼型上表面出现大尺度的开放式分离区,在Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性作用下,自由剪切层失稳卷起展向涡,展向涡二次失稳发生旋涡配对现象;分离区流场的演化受大尺度涡结构控制,流场中高阶统计量的分布也与涡结构密切相关.     

利用导流板控制25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力

通过风洞实验,研究了尾部导流板对25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力的影响规律.对比了斜面两侧与斜面上边缘宽度分别为5mm,10mm和15mm导流板的减阻效果.试验中模型缩尺比为1∶2,基于来流风速与模型长度的雷诺数为8.7×105.研究结果表明,模型尾流中存在一对规则的拖曳涡,并伴随有强烈下扫流,尾部斜面上存在D形流动分离区.斜面两侧5mm宽导流板对尾流的影响很小,对应的气动阻力会增大约2.1%;斜面两侧10mm,15mm宽导流板以及不同宽度的水平导流板可显著削弱尾流中的拖曳涡.水平导流板能够消除斜面上的流动再附着并破坏D形分离区,其减阻效果明显高于两侧导流板,最大减阻率可达11.8%.     

二维类车体尾迹中的低频震荡（英文）

汽车尾部的大尺度流动分离是汽车外流场的显著特征之一,其与气动阻力、结构振动和震荡密切相关。应用直接数值模拟(DNS)方法研究在雷诺数Re=2.3×10~4下某二维类车体尾迹中的低频震荡。该类车体常被用于汽车空气动力学学术研究,因为其轮廓可涵盖到货车主要几何特征,且其尾迹与货车的准二维尾迹具有共性。计算结果对照现有的实验结果进行验证,二者之间的差异经过评估确认了该计算的正确性。流场结果显示低频震荡与尾迹中两种模态之间的相互转换有关。这两种模态分别由Kelvin-Helmholtz不稳定性及尾迹的不稳定性主导。前种模态下,尾部分离的上、下剪切层在几乎相同的时刻产生涡脱落;而在后种模态下,上、下剪切层交替地产生涡脱落形成卡门涡。根据不稳定性理论讨论了模态转换的机理,并阐述了因低频震荡而产生的气动力变化。     

类后视镜钝体尾迹分析

后视镜是汽车前侧窗区域重要的气动噪声源,认识后视镜尾迹特征对研究后视镜气动噪声的产生机理有重要意义.搭建类后视镜钝体尾迹风洞试验平台,通过表面油流、热线风速仪和粒子成像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)测量了类后视镜钝体的时均和瞬时尾迹.通过本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)识别后视镜尾迹中的大尺度相干结构.试验结果表明:受有限长度特征影响,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹特征类似,尾迹中存在交替涡脱落,尾迹涡脱落特征频率小于0.2.受端部下洗气流的影响,尾迹涡脱落特征频率在流向和展向分布不均.POD分析结果验证了交替涡脱落的存在,交替的涡脱落导致了尾迹回流区的流向和展向振荡现象.因此,后视镜尾迹与有限长柱体的尾迹类似,尾迹涡脱落主要受有限长特征的影响.     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

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。     

高雷诺数圆盘绕流尾迹特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法对垂直于来流的圆盘(直径为40 mm,厚度为8 mm)后尾迹中的湍流特性进行了研究.流动雷诺数分别是1×10~4、1×10~5和2.5×10~5.发现当Re1×10~4时流场的平均速度、雷诺应力和阻力系数等的分布受雷诺数影响较小,圆盘绕流产生的阻力主要取决于圆盘前后的压力差.通过分析流场的频谱特性,研究高雷诺数条件下圆盘尾迹中的湍流结构及不稳定机制,发现3个无量纲特征频率St≈0.028,St≈0.138～0.146和St≈1.437,分别对应于近尾迹中的回流区沿轴向脉动、驻定涡旋脱落和Kelvin-Helmholtz不稳定这3种不稳定性机制.     

低雷诺数下的Ahmed模型绕流流场结构分析

基于较低雷诺数(1.48×10~4)条件下的Ahmed模型水洞实验,采用大涡模拟的方法研究了Ahmed模型绕流非定常流场,通过流场时均流线分布及相关频谱特性分析了Ahmed模型外部绕流流场的涡系结构特点及其演化过程,并绘制出该模型的外部流场拓扑结构图。结果表明,Ahmed模型顶部涡与侧向涡是模型前端来流发生了分离卷曲而形成的,顶部涡在向下游流动的过程中强度逐渐减弱,直至到达模型尾部倾斜面上方边缘处时基本消散;模型顶部来流在模型尾部倾斜面上方分离并形成分离泡;模型顶部与侧面来流在其尾部倾斜面两侧形成了C柱涡;在模型尾迹区域分布范围较广的分离泡是模型尾部倾斜面上的下洗流与底部上洗流相互作用的结果;Ahmed模型尾迹区域地面附近不仅存在底部涡,同时还有因模型底部侧向来流造成的侧向间隙涡。     

类车体尾迹区雷诺应力实验分析

对后倾角35°类车体在模型风洞中进行实验,运用3维热线风速仪在选定测点上对空间3个速度分量进行采样.对采得的瞬时值进行统计分析,并制成雷诺应力分量云图.由图谱可知:类车体尾迹区流动以一对拖曳涡为其主要特征,地面效应影响至流动远场,雷诺应力分量的分布特征随离车体的远近而变化.     

MIRA阶背式模型的瞬态流动结构分析

应用采用格子玻尔兹曼方法的PowerFLOW软件,结合非常大涡模拟方法,对MIRA阶背模型进行非稳态流场求解,研究外流场的结构及流动特性.通过分析时均流场中气流从A柱沿着车顶至C柱、车尾的流动过程,探索了C柱涡、D柱涡、部分分离涡的结构及流动机理.通过分析瞬态流场探索了更加精确的随机流动特性,其中时域流场分析部分,发现车轮、后风窗及车尾区域处流场结构复杂;对频域结果的分析进一步展示了涡的振动频率及其脉动特点,发现车尾上方振动频率达12 Hz,侧窗、发动机舱顶部,车顶及车身侧部的振动频率为23 Hz,并探究了振动频率的形成机理,压力脉动分析发现底盘上方、车身尾部及后轮区域存在较大振动能量,推断得出以上区域流场结构复杂,对阻力贡献大.将仿真结果与实验结果对比分析,二者流场结构相似,涡核的数量和位置都具有较好的一致性,验证了仿真的可靠性.     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

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.     

Influence of Thermal Flow Field of Cooling Tower on Recirculation Ratio of a Direct Air-Cooled System for a Power Plant

In order to get thermal flow field of direct air-cooled system, the hot water was supplied to the model of direct air-cooled condenser（ACC）. The particle image velocimetery （PIV） experiments were carried out to get thermal flow field of a ACC under different conditions in low velocity wind tunnel, at the same time, the recirculation ratio at cooling tower was measured, so the relationship between flow field characteristics and recirculation ratio of cooling tower can be discussed. From the results we can see that the flow field configuration around cooling tower has great effects on average recirculation ratio under cooling tower. The eddy formed around cooling tower is a key reason that recirculation produces. The eddy intensity relates to velocity magnitude and direction angle, and the configuration of eddy lies on the geometry size of cooling tower. So changing the flow field configuration around cooling tower reasonably can decrease recirculation ratio under cooling tower, and heat dispel effect of ACC can also be improved.     

高速列车头车外流场气动噪声的仿真与实验研究

针对高速列车的头车进行全尺寸三维模型和流场流域的创建,并通过k-ε湍流模型计算稳态流场;在稳态流场的基础上,采用宽频带噪声模型计算头车表面的气动噪声源;利用大涡模拟(LES)方法计算瞬态流场,进而获取车身外表面的脉动压力;再基于瞬态流场,采用Lighthill声类比理论研究头车远场气动噪声的计算.最后,比较气动噪声的仿真分析结果与实地试验结果,验证了仿真结果的正确性.     

平面叶栅流场非定常特性分析

为了分析平面叶栅流场的非定常流动特性，采用延迟分离涡模拟方法(DDES) 对某亚声速叶栅流场进行数值计算。为了保证计算准确，首先进行了最优网格选择、物理时间步长无关性验证；并与RANS-SA计算结果、实验结果进行对比。DDES方法计算结果表明，随着攻角的增大，尾缘涡会逐渐由细长型转变为结构整齐，频率单一的对涡结构，当攻角继续增大，对涡结构变得越来越不整齐。当攻角增大到吸力面出现大分离时，对涡结构消失，脱落涡表现出很强的随机性，吸力面分离涡在向下游传播的同时向周向传播，对相邻叶片的涡量分布产生影响。在大攻角工况时，进口马赫数的变化对于吸力面分离涡，尾缘涡都产生非常大的影响。     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。