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.     

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...     

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.     

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.     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

压力梯度作用下相干结构的演化

采用共振三波的一个周期作为湍流边界层近壁区相干结构的初值，用直接数值模拟方法对有压力梯度，包括定常压力梯度和变压力梯度作用下相干结构的演化进行了研究，得出其各种特性的变化与实验观测到的结果一致。压力梯度对相干结构初始扰动波的选择以及演化过程都起作用，相比之下对前者的作用更大。条纹结构和流向涡之间有某种内在的紧密的联系，可能是产生流向涡的起因。     

湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型

采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流,重点研究其旋涡结构的产生、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、反肾涡等并非独立的物理实体,而是分别对应于新发现的横向射流基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构．     

用扰动方程研究可压缩边界层中扰动的演化

本文对传统的可压缩流动中的通量分裂方法进行了修正，使其可以用于扰动方程的计算。利用这一方法，对来流马赫数Ma为4．5、雷诺数Re为10^5的可压缩平板边界层中扰动的演化进行了数值模拟。对于给定的基本流，在计算域入口加入T-S波扰动，研究扰动的空间发展演化。对于小幅值的扰动，计算得到的扰动幅值演化和扰动法向分布与线性稳定性理论的结果符合的很好。对于有限幅值的扰动，结果表明，各次谐波无论幅值还是扰动分布都与完整的Navier-Stocks方程计算的结果符合的很好，但由扰动方程得到的平均流修正比N-S方程得到的大一些，这也许是由于在N-S方程计算时，基本流与零阶谐波一起计算而产生的误差所至。     

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.     

水中大体积放电产生方法的研究

研究了一种脉冲电压下采用涂覆介质的球一环电极结构在水中产生多通道、辐射状、大体积流注放电的新方法.与以前方法相比,该方法能在较低电压幅值下在水中产生大体积放电.采用光学和电学手段,对流注放电通道的长度、数量、脉冲电压参数(如电压幅值和脉冲宽度)对放电的影响进行了研究.对电极介质涂覆条件下流注的产生与发展做出了理论解释.研究结果表明,水中放电的最大流注长度和通道起始点数均随脉冲电压幅值和脉冲宽度增加而增加.介质涂覆中局部电场的增强和微小缺陷的局部放电在水中形成气泡是水中流注放电起始的根本原因.     

流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验研究

洋流流速沿水深的分层变化对长柔性立管涡激振动性能有一定的影响.在开发流速增大装置的基础上,在拖曳水池中完成了1组流速分层流场中细长柔性立管涡激振动试验,测量数据包括流向和垂直流向上立管表面的应变值,试验数据采用模态分析法加以分析.结果表明:流速分层流场中细长柔性立管涡激振动不同于均匀流场及剪切流场的振动;流速增大层立管流向弯曲曲线的最大弯曲点偏向于流速增大层的作用段;立管流向和垂直流向振动的频率分布呈现出集中和分散2种形式;激发的立管垂直流向振动与拍振动类似.     

离散涡丝方法模拟矩形射流场的研究

采用三维离散涡方法对不可压矩形射流场进行了数值模拟,结果发现与圆射流不同的是,即使在不加扰动的情况下,封闭涡丝也极不稳定,不再呈现矩形,而是波浪形,并有流向涡产生.矩形涡丝失稳和演变的程度都比圆形涡环的情形更快,本文结果对于矩形射流的利用具有指导意义.     

离散涡丝方法模拟矩形射流场的研究

采用三维离散涡方法对不可压矩形射流场进行了数值模拟,结果发现与圆射流不同的是,即使在不加扰动的情况下,封闭涡丝也极不稳定,不再呈现矩形,而是波浪形,并有流向涡产生。矩形涡丝失稳和演变的程度都比圆形涡环的情形更快,本结果对于矩形射流的利用具有指导意义。     

翼型低Re数小攻角非线性非定常层流分离现象研究

层流分离泡是低速低Re数流动的典型特征,存在强的非定常和非线性效应.其对翼型气动力特性带来的影响突出表现在三个方面:(1)升力系数下降,阻力系数增加,升阻比快速下降;(2)小攻角气动力系数非线性效应;(3)中等到大攻角气动力非线性静态滞回效应.本文在针对E387和SD8020翼型层流分离效应开展数值模拟,并提出不同于经典层流分离泡的后缘层流分离泡的研究基础上,进一步采用非定常数值模拟和水洞PIV流动显示试验结合的方法,以SD8020翼型为对象,更深入细致的研究了翼型低Re数小攻角时均化及非定常的层流分离流动结构和压力系数分布的非线性流动特性和演化规律.数值模拟和水洞PIV试验所获得的时均化和非定常流动结构吻合一致,验证了本文结果的正确性.主要结论简述如下:(1)PIV试验验证了所谓低Re数长层流分离泡是一系列大尺度周期性脱落的层流分离涡的时均化结果,并不存在稳定的长层流分离泡;(2)试验证明了低Re数对称翼型小攻角范围,确实存在不同于经典长层流分离泡的时均化后缘层流分离泡,两种层流分离泡的外部形态、内部结构和演化规律存在显著差异.本文详细刻画对比分析了两种层流分离泡的流动结构及其差异;(3)数值模拟和水洞试验表明两种时均化层流分离泡所对应的非定常分离涡结构和压力系数分布也存在显著差异.正是由于这两类层流分离涡结构之间的演化造成了对称翼型低Re数小攻角升力系数非线性;(4)初步分析表明,后缘层流分离泡对应的非定常分离涡结构在分离点附近基本保持稳定,类似死水区,直至后缘点附近出现类似于卡门涡街的非定常分离.长层流分离泡对应的非定常分离流动则在分离点附近就表现出显著的非定常特征,生成一系列独立,并不断向下游发展、移动、对并、脱落的非定常层流分离涡.由此,造成这两种流动结构之间突变的机理和根源可能在于分离点附近分离区流场的失稳.     

壁湍流低速条带失稳和再生的数值研究

该文采用Fourier-Chebvshev谱方法,通过直接数值模拟研究了壁湍流拟序结构中低速条带的变化及相互作用.模拟了展向扰动作用下两条展向并列的直条带的失稳(抬升、振动、破碎)及其相互作用过程.结果表明,受基模式扰动的条带可以诱导流向涡的形成,而流向涡又促进条带的进一步抬升、振动和破碎.破碎后的条带在亚谐模式扰动作用下形成新的条带,新条带被再次诱导失稳.该文结果有助于研究壁湍流摩擦阻力的形成.     

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.     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

雷诺数对圆柱体涡激振动特性影响研究

为研究雷诺数,特别是高雷诺数对涡激振动(VIV)特性的影响,基于OpenFoam嵌入自编程序,分别设定雷诺数范围为1.45×103~10.20×103,5.80×103~40.80×103以及13.05×103~91.80×103对不同质量比的圆柱体进行涡激振动数值模拟.在低、高质量比条件下计算对比圆柱体在不同雷诺数范围内的涡激振动幅值、频率、流体力系数、运动轨迹以及漩涡脱落模式等特性,研究结果表明:在低质量比条件下,雷诺数范围的增大对圆柱涡激振动的影响主要体现在流向与横向各分支振幅的增加以及泄涡向2T模式的提前转变等;而在高质量比条件下,主要体现在横向幅值的增加与流向幅值的减小,锁定区间的增大以及最大振幅处运动轨迹的显著改变等.     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题．虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究．文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征．     

电磁力控制下的翼型绕流和升力

对电磁力控制下的翼型绕流和升力的初始响应过程和变化规律进行了实验和数值研究．实验和计算中,均采用示踪粒子方法,使流场可视化．引进边界涡通量的概念,推导了电磁力与边界涡通量以及升力的定量关系,根据边界涡通量的分布,对绕流流场对升力的影响进行了分析,初步揭示了翼型绕流电磁控制的机理．结果表明,未加电磁力时,翼型绕流和升力呈周期性变化．在流向电磁力作用下,翼面上的旋涡消失点以一定的规律向后缘移动,最终以涡对的形式脱离翼面,流场也因此趋于定常．电磁力可以改变流场,提高流场的负边界涡通量的强度,有利于升力的提高．但同时电磁力也使翼面压力增加,使升力下降．由于使升力提高的因素起主要作用,故上翼面的流向电磁力可提高升力,且电磁力愈大,升力提高愈多．覆盖在上翼面局部位置的电磁力也能抑制流动分离和提高升力,电磁力作用于后部效果更好．