空化螺旋桨非定常粘性流场特征分析

基于粘性多相流理论,在均匀入流条件下,利用混合网格和滑动网格数值求解非定常纳维-斯托克斯（N-S）方程和空泡动力学方程来预报螺旋桨尾流场压力、速度和蒸汽体积分数.螺旋桨片空化、毂涡空化、尾流场梢涡空化和压力等的数值计算结果与相关实验一致.预报的尾流场压力信号叶频和轴频等特征与螺旋桨模型及设定参数一致.叶频信号的衰减速度随着进速系数和空化数的减小而增加.梢涡空化对近尾流场压力波动具有重要作用.     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

高强度聚焦超声辐照离体牛肝组织后回声与空化、沸腾的关系

目的 高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)辐照离体组织过程中焦域处空化、沸腾与回声强度的关系.方法 采用不同的声功率(50 W、100W、150 W、200 W、250W)辐照新鲜离体牛肝组织5s,辐照深度30 mm.在辐照过程中,使用热电偶组成的测温系统对焦域处的温升进行实时采集.5 MHz接收换能器和Labview软件组成的被动空化检测(passive cavitation detection,PCD)系统对焦域处空化信号进行采集,在Labview平台上对空化信号进行定性和定量分析,观察空化信号随时间的变化规律,并计算累积空化剂量.对比HIFU辐照前后的B超图像,计算焦域处的灰度差值.结果 声功率为50 W和100 W的HIFU辐照时,空化和沸腾均未发生,B超图像上未出现回声变化;声功率150W的HIFU辐照时,空化发生(1/2分谐波和宽带噪声)但无沸腾,累积空化剂量和靶区灰度差值增大,辐照后即刻出现弱回声;声功率200 W的HIFU辐照时,空化和沸腾均发生,累积空化剂量和靶区灰度差值继续增大,辐照后即刻观察到强回声出现;声功率250W的HIFU辐照时,空化和沸腾均发生,累积空化剂量和靶区灰度差值略有增大,观察到“明亮”的强回声出现.除声功率为50 W的HIFU辐照后未见凝固性坏死产生,其余各声功率组均产生了凝固性坏死.结论 空化在HIFU辐照后即刻回声的出现中有贡献,但强回声的出现来自于沸腾.     

基于SPIV的船体附着冰对尾流场影响试验研究

以76000DWT 1B级冰区加强型巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对船舶的敞水标称伴流场进行了测量,测量结果精细地展现了舭涡、螺旋桨毂帽涡以及"钩状"速度等值线结构,其流场特性与KVLCC,JBC等U型尾肥大型船舶尾流场特性符合.最后,应用SPIV(2D-3C PIV)测量系统对船体具有模型冰附着条件下进行了尾部标称伴流场测量,并对轴向速度分布,速度矢量分布、旋转强度、涡量以及流线等进行了分析.结果表明:冰载荷的附着使船舶尾部区域产生相当于附着冰厚度的"虚拟厚度","虚拟厚度"的存在破坏了原有的优秀线型设计,使船舶表现为整体宽V型的非最优尾部.船底及舷侧附着冰的存在,导致裸船体航行时产生的尾部伴流场受到干扰,船壳附近湍流边界层结构被破坏,模型冰的非流线型外形使得冰后产生复杂涡系,多涡系相互干扰导致产生混乱的涡结构.     

非定常等离子激励器诱导平板边界层的流动结构

采用唯象模型模拟DBD等离子激励器,通过求解Navier-Stokes方程研究了等离子非定常激励与平板边界层的相互作用.分别考察了激励强度、激励波形和激励频率对非定常等离子体激励诱导流场结构的影响.结果表明,非定常等离子激励使边界层内形成系列涡对,其涡量沿程呈指数型衰减.涡对的强度主要由等离子的有效激励强度决定,激励频率主要是对涡的平均流向间距的影响.占空因子不太大时,相邻涡对的相互作用可以忽略,激励波形对涡对影响不大.     

基于不定场流动及动力响应分析的水轮机运行区划分

水轮发电机组运行状态随运行工况不同而存在明显的差别. 研究了万家寨水电站两种型号的大型混流式机组与水口电站同一种型号两台大型轴流转桨式机组的运行性能和运行区划分方法; 发现影响万家寨机组运行稳定性的最主要因素为尾水管内涡带引起的水压力脉动, 影响水口水电站机组安全运行的有水力脉动引起的活塞杆动应力、桨叶动应力及转轮水推力等; 综合分析在运转特性曲线上绘制的影响机组安全运行参数的分布云图, 绘出水轮发电机组的安全运行区、过渡运行区和禁止运行区.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

升弓高度对列车受电弓气动性能的影响

为研究升弓高度对高速列车受电弓气动性能的影响,建立受电弓空气动力学计算模型,采用分离涡模拟方法(DES)研究受电弓不同运行状态下的气动特性.数值仿真计算得到的受电弓气动阻力与风洞试验数据误差小于5%,验证了数值仿真模型和方法的可靠性.研究结果表明:受电弓升弓高度和开闭口运行方式对受电弓周围流场结构影响较大,受电弓气动性能有所差异.当受电弓升弓高度不变和运行速度为400 km/h时,开口运行受电弓气动阻力比闭口运行大2.0%～4.07%;当受电弓开闭口运行方式不变时,受电弓气动阻力与升弓高度呈近似线性关系,在升弓高度0～1.4 m范围内,受电弓气动阻力最大增加9.2%.升弓高度对框架系统的气动特性影响较大,对底座、绝缘子以及弓头的影响较小.随着升弓高度的增加,受电弓框架系统周围流场的脉动加剧,气动阻力变大,而弓头和滑板周围的流场变化较小.滑板表面脉动升力具有明显的主频特性,升弓高度对主频的影响较小,闭口运行时频率分布较开口运行分散.     

高速冷态气流中煤油雾化现象的实验研究

研究煤油在超声速冷态气流中的雾化现象．利用下吹式超声速风洞产生超声速气流,煤油喷射采用高压氮气驱动,流场显示采用阴影和平面激光诱导荧光（PLIF）方法,改变来流总压和煤油喷射压力,得到了流场阴影照片和煤油荧光光强分布图像．结果表明：结合阴影和PLIF方法,是研究煤油在高速气流中雾化现象的较好方法,PLIF法可精确显示煤油液滴分布,阴影法可显示流场波系,为PLIF法提供补充;射流和来流的动压比越大,穿透深度也越大,射流更容易破碎和雾化,但同时也会诱导更强的激波,造成更大的总压损失;三维、非定常表面波是引起射流柱破碎的重要因素,较大的动压比会加速表面波的发展,增大表面波的振幅,较小的动压比会抑制表面波的发展．     

偏离设计工况时离心泵内部流场的数值模拟

通过高效数值模拟的方法分析通流部分的气动性能,对叶轮进行优化改进,扩容改造,从而提高效率,可靠性,安全性.主要采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-s湍流模型,SIM-PLEC方法求解,对原模型泵进行非设计工况下内部流场的叶轮和蜗壳的耦合数值模拟,主要是变转速和变流量调节.得出变转速调节下全流场的速度和压力分布均与原模型相似,但转速过低时则出现明显不同;变流量模拟时,无论是大流量还是小流量,在叶轮流道和蜗壳区均出现了较为严重的回流和漩涡区,并对这一现象进行了分析.最后对原模型蜗壳提出了一些改造意见,指出了偏心蜗壳在蜗舌处的回流情况较对称蜗壳好一些.     

超声场中硬壁凹坑空化空蚀特性研究

利用高速摄影技术对超声场中硬壁凹坑的空化空蚀特性进行了实验研究,重点研究了凹坑的驻气特性,微泡散逸特性以及空泡对蚀坑发展过程的影响.对直径为1mm的玻璃凹坑进行了空化实验,分别对金属铝和金属铜试件进行了为期60min和240min的空蚀实验,发现硬壁凹坑开始驻留游移空泡是凹坑进入空蚀加速阶段的标志.凹坑倾向于会聚较大的游移空泡并从驻留空泡顶端散逸微泡,这使凹坑成为一个空化核的发生源.在确定的实验条件下,蚀坑直径存在一个确定的稳定值,达到这个稳定值之后蚀坑直径不再增加.     

K型偏心支撑钢框架抗震性能研究

为分析K型偏心支撑框架在低周往复荷载作用下的抗震性能,通过模型试验及仿真试验研究了K型偏心支撑框架的滞回性能、刚度退化现象以及在循环荷载作用下的能量耗散机理.结果表明K型偏心支撑框架在弹性阶段刚度大,在塑性阶段耗能能力强;不同的耗能梁段长度对结构各层的耗能能力有很大的影响,耗能梁段不宜过短也不宜过长;当耗能梁段出现剪切屈服后,刚度出现明显的退化现象,仿真试验验证了试验剪切型梁段的屈服现象.K型偏心支撑框架具有良好的滞回性能和耗能性能,分析结果可供工程设计和相关研究参考.     

一种新型消力池布置形式——多股水平淹没射流

在对消能机理较深认识基础上提出了一种既有高消能率,又能明显减小消力池底板冲击压力及临底流速的新型消力池布置形式,它明显不同于底流消能．这种新的布置形式有较高消能率的原因是人为制造了更多的剪切消能区;能明显减小消力池底板冲击压力及临底流速的原因是在合理的体形下,能保证入池水流以近似水平的方向,以射流的形式在消力池内运动,避免了高速水流直接冲刷消力池底板．通过大量的模型试验研究后发现,水平方向窄而垂直方向厚的入射水流适应水位变化的稳定性较好,能始终保持水平淹没射流状态,宽而扁的水舌适应水位变化的稳定性较差,容易随下游水位的升高或降低而潜底或上漂．采用数值模拟的方法对这种新型消力池的水力特性进行了较为深入的研究,消力池水面线、临底流速以及底板压力等的计算结果与试验结果符合较好,结合模型试验及数值模拟,对这种消力池的流态进行了较为详细的分析研究,得到了不同情况下比较详细的流场特性,与实验现象极为吻合．     

不同长度工作面采空区瓦斯分布的数值模拟研究

煤矿回采工作面采空区漏风对采空瓦斯分布及采空区自燃发火有着重要的影响。本文对U型通风下不同长度工作面的采空区流场进行了数值模拟。回采工作面长度由100 m依次增加10 m至240 m,并且针对每一长度的回采工作面建立了对应的采空区三维物理模型,运用计算流体力学的方法对不同长度回采工作面采空区的流场进行了数值模拟。结果表明,随着工作面长度的增加,采空区进风侧瓦斯爆炸危险区域的宽度变化幅度较小;采空区中部瓦斯爆炸危险区域的宽度随着工作面长度的增加先增大后减小;随着工作面长度的增加,采空区进风侧和采空区中部瓦斯爆炸危险区域的起始位置均出现向采空区深部移动的趋势。     

复杂构型细长体飞行器大迎角气动不确定性机理研究

细长体飞行器在大迎角绕流时,一般存在非对称分离的问题.对带三组翼面的细长体飞行器模型,通过在自由来流中加入随机脉动,开展了大攻角横侧向气动力不确定性的数值模拟研究.基于流场结构的物理分析表明,横侧向气动力的不确定性来源于弹身非对称分离涡对扰动的高度敏感性.基于这一认识,进一步分析了不同布局飞行器气动不确定性差异的原因及其随迎角的变化规律.最后,根据地面模拟与实际飞行条件的差别,模拟了快速拉起动作和突发短暂的大气扰动等非定常现象对飞行器气动不确定性的影响.结果表明,该飞行器在实际飞行时,气动不确定性比静态结果小很多,应该能够实现可控的机动飞行.     

CRH3型高速列车气动头型优化计算

本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题,提出了一套高效的头型气动力优化方法.使用NS方程进行流场求解,结合遗传优化算法和任意网格变形技术,避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销,提高了优化计算的效率.通过对设计空间中的设计点进行统计分析,研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性,分析出了影响优化目标的几个关键变量,并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析,得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系.最后,通过优化头型与原始头型的气动性能比较,对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.     

加热丝上过冷池沸腾汽泡射流现象及其模拟

实验观察分析直径25及100 mm微细铂丝上过冷池沸腾微小汽泡射流现象, 利用高速摄影和PIV技术获取汽泡周围射流形态及流场, 发现小尺寸汽泡具有明显的顶部射流, 大尺寸汽泡则可以在汽泡两侧出现多股射流. 通过分析汽泡界面相变换热以及热毛细力效应(Marangoni), 建立了近壁面汽泡计算模型并数值模拟汽泡周围流场, 模拟射流结构及喷射强度等与实验结果一致吻合. 分析证明, 热毛细效应引起汽泡界面快速流动并带动周围液体形成射流; 汽泡直径对于射流结构有重要影响, 决定着汽泡射流多样性结构.     

旋转诱导轮缘密封不稳定流动特性及结构优化

针对无主流非均匀压力场影响下旋转诱导轮缘密封非定常流动问题,采用经旋转封闭腔试验验证的大涡模拟方法,研究了封闭轮缘密封腔内流动的不稳定性,在此基础上针对典型轴向与径向密封和实际发动机中可见的斜向密封等3种结构进行非定常雷诺平均数值计算,研究了典型轮缘密封结构下密封区域瞬时流场特性,并采用快速傅里叶变换与互相关分析方法揭示了轮缘密封区域大尺度涡结构的动力学特性,最后给出了不同轮缘密封结构的旋转诱导封严特性及密封结构优化的启示.研究结果表明:旋转诱导轮缘密封流具有固有不稳定特性,在轮缘间隙区域产生了一系列大尺度涡结构,它们沿周向以低于转子的速度传播,旋涡频率、转速与个数取决于轮缘密封类型,总体上旋转诱导斜向密封的封严效率优于轴向与径向密封.     

放置于驻点的合成射流控制圆柱涡脱落模式的实验研究

将合成射流同时放置于圆柱前、后驻点位置,利用PIV测速技术,在水槽中进行了合成射流控制圆柱绕流的实验研究.在来流雷诺数、合成射流激励器振幅为固定值的情况下,使合成射流激励频率fe为尾迹涡固有脱落频率f0的1到3倍,应用频谱分析和本征正交分解(Pro-per Orthogonal Decomposition,简称POD)等方法,研究了合成射流对圆柱绕流结构的控制效果.随着激励频率的增加,合成射流的影响范围沿流向逐渐扩大,并且激励频率逐渐取代尾迹涡脱落的固有频率主控全流场.不施加控制以及fe/f0=1,2时,前两阶POD模态分布规律及模态系数的频谱分析均体现出尾迹涡固有的反对称脱落特性.激励频率fe/f0=2,3时,尾迹涡脱落模式的变化以及激励频率的主频特性在第3,4阶模态分布及模态系数变化中得到了很好的体现.激励频率fe/f0=2时,尾迹涡脱落兼有对称与反对称模式;激励频率fe/f0=3时,合成射流涡对在近尾迹剪切层诱导产生对称的尾迹涡结构,但是在向下游发展过程中逐渐演化为反对称模式.     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性,针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先,通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次,基于数值试验和理论分析,对温度壁面律的表达式进行了修正;最后,推导了近壁区的热传导项表达式,更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后,对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值,且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布;数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用,可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度;而对于分离／再附点附近,壁函数的模拟精度相对较差,其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．