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.     

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.     

可压缩轴对称射流三维拟序结构的演化

采用高精度差分方法对空间发展轴对称可压缩射流流场进行直接数值模拟, 计算结果显示了射流失稳后首先出现Kelvin-Helmholtz非稳定特征, 流动的进一步发 展, 非线性效应的增长导致轴对称涡环的二次失稳和流向涡的产生, 并给出了拟序结构的三维演化过程. 计算结果证实了轴对称射流中二次失稳、流向涡的产生是增强流动混合及流动产生转捩的重要机制.     

声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.     

湍流横向射流的大涡模拟及其涡结构特性

采用大涡模拟方法数值模拟了流向和展向椭圆喷嘴的湍流横向射流, 重点研究了其中旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程. 结果表明文献中所报道的横向射流基本涡结构, 如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等等是分别对应于新发现的横向射流中的基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构, 因此, 在湍流横向射流中真正占主导作用的是拉伸、扭曲、沿展向摆动和沿流向扭动的三维涡环. 研究还发现: 涡环的脱落频率比流场信号分析得到的脉动频率小得多.     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current, AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation, DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明：非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状（喷嘴内流过渡曲面为球面或椭球面或其它旋转曲面，出口形状为锥面或锥面加环套）对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流杨具有良好的大尺度涡环结构。     

采用球窝控制边界层分离流动的大涡模拟

用具有逆压梯度的平板分离流动模拟低压透平叶片吸力面的分离流动,采用基于动力Sma-gorinsky亚格子应力模型的大涡模拟对逆压梯度条件下布置在平板上单个球窝的流动特性及球窝对边界层分离流动控制的效果进行了研究,详细考察了球窝前沿边界层厚度和球窝深度的比值R分别为0.378、0.994和1.453时球窝的流动特性和控制性能.结果表明:R较小时控制性能最好;球窝内部的马蹄涡对球窝的流动起主导作用;球窝内的马蹄涡周期性脱落并在球窝尾迹区形成发夹涡排,发夹涡涡腿紧贴壁面形成流向涡,流向涡卷吸主流高能流体,由此增强了边界层能量.马蹄涡和发夹涡排对分离流动控制起主要作用.     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状对锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。     

Experimental investigation of supersonic flow over a hemisphere

The experimental investigation of supersonic flow over a hemisphere was conducted using Nanoparticle-based Planar Laser Scattering(NPLS) technique in a supersonic quiet wind tunnel at Ma=2.68.Ahead of the hemisphere,boundary layer separation with the formation of a three-dimensional separated flow was observed,which was resulted from the interaction between the three-dimensional bow shock wave and the boundary layer.The complex flow structures of supersonic flow over the hemisphere were visualized.Based on the time correlation of NPLS images,time-space evolutionary characteristics of supersonic flow over the hemisphere were studied,and the evolutionary characteristics of the spanwise and streamwise large scale vortex structures were obtained,which have the features of periodicity and similar geometry.     

高炉出铁沟内流场数值模拟

以某钢铁厂的主沟和撇渣器为研究对象,采用三维动量守恒方程、RNGk-e湍流模型和Mixture多相流模型模拟计算主沟内速度场与主沟壁面之间距离的关系,并分析了不同出铁流量下出铁沟内流场和渣铁的分离效果。结果表明,主沟中心位置的渣铁速度明显快于壁面附近的渣铁速度;渣铁分离效果不太理想,渣中带铁量偏多,其原因是渣口位置过低;随着初始流量的增大,出铁沟内的流动混乱程度逐渐增加,渣中带铁现象加剧。     

电磁力控制圆柱体三维绕流场的脱体涡模拟

利用Maxwell方程组直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在雷诺数Re=3 900时,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果表明,电磁力作用可提高圆柱体边界层内的流体动能,抑制流动分离的产生,减弱圆柱绕流场的三维特性,在电磁力作用参数达到某个临界值后,在圆柱体后方产生射流现象;同时,随着电磁力作用参数的增大,圆柱体压差阻力及其总阻力减小,但摩擦阻力增大,而且电磁力的作用还可以显著减小升力脉动幅值.     

展向和流向间距不同的粗糙元壁湍流ADV实验研究

为了揭示粗糙元对壁湍流的影响,采用声学Doppler流速仪(ADV)对布有展向或流向圆柱形粗糙元的壁湍流进行了实验测量。研究了不同Reynolds数下不同间距粗糙元对壁湍流流向平均速度和湍流度的影响。结果表明:在同一Reynolds数下,粗糙元展向间距为7倍直径时的壁湍流流向平均速度最小,湍流度最大。粗糙元流向布置的壁湍流流向平均速度随粗糙元间距的减小而减小,湍流度随粗糙元间距的减小而增大。相比流向粗糙元,展向粗糙元对湍流流动特性影响更大。研究结果对壁湍流流动控制和强化换热的工程应用具有指导意义。     

DNS of the turbulence modulation by dispersed particles in compressible spatially developing two-phase jets

Particleladenturbulentjetsareusuallyfoundinmanyengineeringapplications,suchasjetpropulsion,spraycombustion,andpulverizedcoalcombustion.Inmanyoftheseapplications,thedispersionoftheparticlesbecomesacontrollingfactorintheefficiencyandstabilityoftheprocess.Hence,theabilitytopredictandcontroltheparticledispersioninjetsisofsignificancetoimprovedesigningleveloftheindustrialequipmentandobtainefficientapplications.Thesinglephaseturbulentjetshavebeenwidelystudiedbymanyexperimentaltechnologiesandnumerica…     

交通流理论与服务水平

提出了新的交通流连续性假设,引入了车域和定常交通流的概念,重新定义了交通流的动量,调整了交通流与流体流的比拟关系.以此为基础,建立了交通流的欧拉方程和考虑粘性的运动微分方程,得出了广义交通压力的定义.联立解连续性方程和考虑粘性的运动微分方程,得到了交通流参数之间的关系.提出了以量纲一交通压力评价道路服务水平的指标体系.最后,采用广州至深圳及广州至佛山高速公路实测数据对研究结果进行了验证.     

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     

利用动量变化率测量流体质量流量方法的研究

提出了一种通过检测流体动量变化率实现其对质量流量测量的新方法．该方法在垂直于流体流动方向上利用激振器激振流体,在流动下游利用检测传感器测量流体动量变化率,从而完成对流体质量流量的测量．实验研究表明,采用该方法可获得流体质量流量呈线性关系的输出电信号,与所进行的理论分析相一致．讨论了振动振幅对测量输出信号的影响     

论微重力弹-环状流转换的空隙率匹配模型

对基于微重力条件下,气／液两相弹状流滑移流率关系和光滑环状流动量平衡关系的弹-环状流转换空隙率匹配模型的解的特征,进行了深入分析．发现该模型具有双解、单解和无解三种情况．由此阐明了该模型难以正确预测微重力条件下气／液两相弹-环．状流转换条件的原因在于光滑环状流动量平衡关系的非客观性．     

含沙水流在离心叶轮盖板腔体内的运动分析

根据含沙水流的运动特点,从固液两相流运动方程出发,从理论上定性分析了含沙水流在离心叶轮盖板腔体内的流动特性和速度分布规律,导出了叶轮盖板磨损强度与速度的关系以及影响磨损的因素.