边界层对驻定斜爆轰结构和稳定性的影响

针对边界层对斜爆轰结构和稳定性的影响可能会引起驻定斜爆轰发动机性能下降的问题,通过求解包含氢气/空气基元反应模型的二维NS(navier-stocks)方程研究了黏性条件下的驻定斜爆轰的流场结构和数值扰动状态下驻定斜爆轰波的稳定性。研究发现,可燃的高超声速气流通过楔面后,形成斜激波(oblique shock wave,OSW)和薄的边界层,在斜激波后,出现主要流体参数保持不变的诱导区;在边界层内,发生等压燃烧,气体温度和水的质量分数较高;诱导区后,由于能量释放产生的爆燃波向上游传播,并发生汇聚,最终与斜激波波阵面相互作用,逐渐形成驻定的斜爆轰(oblique detonation wave,ODW)。边界层的存在缩短了诱导反应的时间,使得斜爆轰提前发生,斜爆轰角变小,三波点位置上移;但对驻定斜爆轰的主流区的影响有限。通过在斜爆轰波流场中添加数值扰动,证实了边界层存在条件下驻定斜爆轰结构是稳定的。     

方型和矩型环管湍流直接数值模拟分析：I.平均流场,对直管道充分发展湍流边界层的再认识

通过对槽道,方型环管及矩型环管内一系列充分发展湍流的系统直接数值模拟研究,建立直管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据：（1）湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流（史称Prandtl第二类二次流）;（2）湍流雷诺应力场;（3）湍流能量谱.在此基础上,作为系统研究的第一部分,本文对这些流动构型的湍流平均流场,包括平均流向速度,由湍流驱动的平均二次流结构以及平壁-角域剪切应力等,进行仔细剖析,进而总结出具有规律性的重要物理内涵.建立了直管内充分发展湍流边界层的广义壁面律,其中涵盖了von Karman平壁律和Xu90°凸,凹角域律.通过构造广义抑制函数和广义加强函数来定量描述和揭示这些规律之间的数学物理联系.首次提出在广义湍流边界层的框架下,泛型直管道边界层内层底部无量纲壁面切应力可以在一个较为宽广的范围内存在,即w0Ud3.23.5.而传统意义上由von Karman平壁律所支配的单位无量纲切应力,即层流底层关系wUy1,则仅为广义壁面律中的中性情形之特例.广义湍流边界层概念的提出和直管内充分发展湍流广义壁面律的建立,对传统意义上的湍流边界层及其密切相关的平壁律物理机制和相应数学表述进行了重新认识和重要拓展,由此达到对泛型直管内充分发展湍流边界层再认知的目的.     

超声速边界层气动光学效应及控制研究

光学成像制导技术是精确制导武器研究的重要课题，气动光学效应的存在对制导精度产生严重的影响，使飞行器偏离目标位置，甚至脱靶。飞行器和来流之间的相互作用导致其周围流场结构非常复杂，激波、膨胀波以及湍流边界层的存在，使得流场的折射率在空间上分布不均匀，在时间上存在高频脉动。其中，边界层转捩过程引起的气动光学畸变是亟待解决的最大难题。边界层转捩过程是边界层由层流向湍流发展的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性、复杂的流动现象，并且一直是湍流研究领域的热点问题。超声速边界层的转捩区具有非常强的非定常性、随机性，且脉动频率高，因此折射率分布极为复杂，光线透过后不仅会发生偏折，还会导致成像模糊和能量分散，严重影响成像制导的精度，通过光学校正的方法很难降低这种影响。本文试图通过延迟边界层转捩，来降低甚至消除超声速边界层转捩对光学传输性能的影响。以超声速旋成体飞行器光学窗口周围的边界层流场为研究对象，本文采用添加扰动片的流动控制方法对边界层气动光学效应变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明：随着攻角的增大，光程差分布由沿着对称面对称分布逐渐过渡为沿流向的变化，且逐渐平缓；施加了扰动片控制后，原本处于光...     

多级压气机通流与CFD一体化优化设计方法

针对S2流面求解的通流计算方法与全三维黏性求解的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法是叶轮机械气动设计与分析的主要技术手段。该文基于一套自主开发的流线曲率法通流计算程序，建立了适用于多级高负荷轴流压气机的通流与CFD一体化优化设计方法。该方法由通流与CFD一体化气动分析方法和基于改进智能优化算法的设计优化方法构成。研究将其应用于某跨音三级压气机中，对其中的跨音动叶边界层分离流动问题进行合理定位。针对第一级动叶（R₁）与第三级动叶（R₃）开展优化设计，分别获得了三级压气机效率提升0.1%和0.3%的优化设计方案。研究表明，该方法能够实现通流与CFD分析方法优势互补，同时把握气动布局设计与细节流场结构特征，从而高效定位压气机气动性能与流场结构问题及其与叶型设计或气动布局的关联，指导优化设计方向。     

含趋旋微生物纳米流体在拉伸缸表面上的边界层流动分析

考虑趋旋微生物的影响，研究纳米流体在拉伸缸表面上的稳态二维边界层流动问题。建立控制方程，采用打靶法和Runge-Kutta法进行数值求解，对不同物理参数下的速度场、温度场、浓度场和运动微生物密度场的变化趋势进行图形化分析。结果表明：在靠近缸体表面处，速度、温度、浓度和微生物密度均随曲率参数的增大而减小，而在远离缸体表面时变化情况却相反；微生物密度随Brown运动参数、Peclet数、Schmidt 数和生物对流常数的增大而减小，而随热泳参数的增大而增大。