仿生射流表面流场控制减阻数值模拟

利用SST k-ω湍流模型对仿生矩形射流表面的减阻特性进行数值模拟,解释了射流表面减小摩擦阻力的原因及对近壁区边界层的控制行为.结果表明,射流孔面积相等时,射流孔与射流表面沿展向长度的比值越大,减阻效果越好.当其它因素不变时,随着射流速度的增大减阻率逐渐增大,随着射流流量的增大减阻率逐渐增大,最大减阻率为35.97%.射流表面对边界层的控制行为表现为主流场近壁区的剪切流动遇到射流的阻抗,在射流孔的背流面形成逆流区,逆流在边界层底层产生的剪应力与主流场方向相反;同时在射流孔下游产生反向旋转涡对并在近壁面诱导出二次涡,相当于在高速流体与壁面之间产生润滑带,使边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小.     

无漂移的可压缩湍流边界层数据的生成

本文描述了一种用于生成时间相关的三维可压缩湍流边界层数据的数值方法.该方法最早始于Lund的应用于不可压缩湍流边界层的Rescale方法,后来Urbin,Stolz等人又分别将该方法推广到了可压缩湍流边界层.其基本思想是将下游提取的边界层数据通过van Driest变换和修正Crocco关系式来建立湍流边界层内外层的速度和温度相似律,根据该相似律分别构建入口处内外层的流动参数,然后将内外层参数通过权函数加权合成为入口条件.Sagaut指出,Urbin和Stolz提出的Rescale方法存在着边界层漂移问题,入口处的Re数无法固定的缺点.本文直接给定入口处的名义厚度和动量损失厚度来固定入口处的来流Re数,为了解决相应的入口条件超定问题,首先采用动量损失厚度来无量纲化边界层外层法向距离,然后将权函数中的常数设置为一个优化变量,通过对该变量的设计将内外层参数加权合成为入口剖面,使得生成的入口边界条件同时满足给定的名义厚度和动量损失厚度.最后,将该方法成功应用于M∞=3的可压缩湍流边界层数据的生成,计算结果和DNS结果保持一致,充分说明了方法的可行性和适用性.     

管内脉动层流动力学特性研究

采用数值模拟方法对圆管内低频率脉动层流动力学特性进行了研究,分析了管内脉动层流速度以及流体剪切应力分布特性.研究结果表明:脉动层流中出现回流现象,且速度边界效应的范围与脉动频率有关.脉动频率越大,速度边界层范围越小,边界层内速度梯度越大.在边界层内,流体剪切应力的作用方向出现周期性变化.随着振幅A的增大,壁面剪切应力先增后降,然后再增,最后趋近于某一值.而管道压降随着振幅的增大最初变化并不明显,在A=0.6时压降急剧增大,而当A0.8时明显降低.综合考虑脉动频率和振幅对壁面剪切应力与压降的影响规律,存在最佳振幅,且最佳频率为0~2.5Hz.     

来流特性对高速扩压叶栅端壁射流旋涡的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅上,开展了不同来流附面层厚度和湍流强度对端壁射流旋涡发生器控制效果的影响研究。结果表明,与来流湍流强度相比,进口附面层厚度对栅内流动的影响更大,随着其厚度的增加,栅内二次流动增强,损失增大;来流湍流强度对叶栅气动性能的影响减弱。射流旋涡在较小附面层厚度条件下减小栅内损失的效果随着湍流强度的增加而减弱,甚至会恶化其气动性能;而当附面厚度较大时,射流穿透能力减弱,湍流强度的增大将减小射流旋涡上洗区掺混损失并减缓其下洗侧与吸力面间端壁附面层的发展,叶栅气动性能的提高更加显著。当δ=15%H、T_u=10%时,射流旋涡使得栅内损失减小达8.4%。     

V型结构对NACA0012型水泵叶片阻力的影响

利用计算流体力学方法分别对水泵叶片全翼面和前、中、后3个不同位置处加装6种不同粗糙度的V型结构进行了数值模拟.研究发现,在Re=3×105时,不同位置处的V型结构对翼型阻力影响存在明显的差别.当小尺寸的V型结构布置于翼型后段时能够有效地减小翼型的阻力.这是由于在翼型后段易于发生流动分离的现象,而此部分的微小V型结构可以有效地增加壁面处的黏性底层厚度,减小了这一部分流体的湍动能.同时V型结构之间形成的二次涡使得来流方向与涡转动的方向相同,有效地减少了壁面的摩擦阻力.     

漩涡撞击法烧结脱硫烟气流场仿真研究

采用Fluent软件对均气环、冷却预处理器和漩涡撞击元件三项关键技术进行模拟仿真,并用MATLAB拟合其对烟气流场的影响规律.结果表明:烟气分布最优时,均气环安装位置与宽度呈线性关系时;冷却预处理器喷水速度越大,烟气温度越低,当喷水速度大于30m·s-1时,随着喷水量增大,温度变化不明显,最佳喷水速度范围为25～30m·s-1;压力损失随漩涡撞击元件切向速度的增大而增大,当切向速度大于20m·s-1时,压力损失急剧上升,漩涡撞击元件最大切向速度应该控制在20m·s-1左右,即托盘转速应该为85 r·min-1左右.     

基础抽吸率对汽车风洞试验的影响

采用试验手段和计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),研究基础抽吸率对汽车风洞试验的影响.首先,基于HD-2汽车风洞,运用试验方法完成对汽车风洞地面边界层厚度的测量,并对边界层的厚度进行评价,结果表明边界层的厚度与来流速度成反比;其次,综合运用数值模拟和试验测量方法,研究基础抽吸率大小对汽车风洞地面边界层厚度影响,研究发现随着抽吸率的变大,边界层厚度逐渐减小.最后,以MIRA汽车标模为对象,研究基础抽吸率对汽车气动特性的影响,当基础抽吸率小于0.06时,汽车的气动阻力系数随着基础抽吸率的增大而增大,进一步增大基础抽吸率,气动阻力系数不再产生明显变化;本文研究结果对汽车风洞抽吸系统的设计和最佳抽吸率的选取有重要的指导意义.     

电磁消涡与减震技术研究

利用流体边界层上的电磁体积力控制流体边界层的周期性脱落与分离,限制尾流涡街的产生,从而实现消除涡流和减少涡生震动的目的.理论分析和实验研究表明,当圆柱表面包覆的电磁场作用参数N＞1,包覆磁场强度B≥0.5 T,流体边界层表面电流密度j为103 A/m2数量级时,对于一般情况下的流场参数而言,流体边界层上的电磁体积力具有十分良好的消涡与减震控制作用效果.优化圆柱体表面的电磁场包覆范围,可以提高电磁消涡减震控制效率.当流体边界层上的电磁体积力方向与流体边界层的流动方向相反时,电磁力又具有显著的增涡增震控制作用效果.     

内检测器调速旁通阀流场特性仿真

旁通阀是内检测器实现速度控制的关键部件,其直接决定内检测器的运行安全及检测精度。为实现旁通阀结构最优化,进而制定合理的速度调节策略,本文通过数值模拟的方法研究了流体介质通过不同结构旁通阀时所具有的流场特性。仿真结果表明：当流体介质通过厚孔式旁通阀时,旁通孔前后压差、压力损失系数与泄流面积均成反比,且与理论计算值趋势一致且误差逐渐递减;当流体介质通过厚孔圆盘式旁通阀时,旁通孔前后压差与泄流面积成反比,而压力损失系数与泄流面积成正比;当流体介质通过转动式旁通阀时,旁通泄流尺寸越大,前后压差和压力损失系数均减小,与厚孔式旁通阀规律一致。可见,旁通阀前后压差与泄流面积呈绝对反比关系,而压力损失系数不仅受泄流面积影响,还与旁通阀自身结构有关。     

翼型流激噪声计算及实验研究

针对翼型绕流产生的湍流边界层脉动压力激励结构振动易引起流激噪声的问题,设计了三种不同尾缘(尖锐型、方型和鱼尾型)结构的翼型,采用大涡模拟(LES)和声振理论计算了其流场和声场,并在水洞中开展了声振特性实验研究,得到了不同攻角下各翼型的声振特性:各翼型的振动加速度总级和总声压级均随着攻角的增大而增大,其频谱曲线除峰值点外...     

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.     

基于解析复势的Joukowski翼型的附加质量

附加质量是影响水下运动物体受力的重要参数之一。为了高效准确地计算无限域理想流体中Joukowski翼型的附加质量,在推导出基于势流理论的流场复势解析解后,采用复变函数计算流体动能,并根据流体动能与附加质量的关系求解物体的附加质量。通过计算单个圆柱在无限域理想流体中运动的附加质量,验证了采用此方法的便捷性和准确性。运用这个动能推导公式着重研究了不同形状的Joukowski翼型以任意攻角运动的附加质量,得到翼型厚度参数R/a、弧度参数β及翼型运动方向α与附加质量的关系。计算结果表明:水平运动即(α=0)时,Joukowski翼型的附加质量随着R/a、β的增大而增大;竖直运动即(α=π/2)时,附加质量随着R/a的增大、β的减小而减小;除α=0、α=π/2外,此方法还能计算机翼以任意其他攻角运动时的附加质量,具有很好的适用性。     

速度边界层剪切定律（英文）

自20C初,路德维希·普朗特提出相关理论以来,边界层理论被人们所熟知。然而,边界层方程的解并不能恰当地描述高雷诺数流体。通过普朗特边界层方程的平均值和脉动值推导出带有脉动函数F的广义的Blasius方程,并且通过理论推导和数值模拟建立内边界层的速度剪切定律。前缘处边界厚度δ0=c2/Reu,其中Reu=U∞/ν,当求位移厚度时,c=1.720 8,求动量损失厚度时,c=0.664。此外,速度边界层上的极值定理和数值实验表明速度边界层的牛顿线性剪切定律完全满足于F=0.1和F=0.01,对于非线性剪切定律满足于F=0.001和F→0。这样的机制在传统的边界层理论中从未被讨论过。     

分布式粗糙前缘对NACA0012翼型失速特性的影响

以NACA0012翼型为研究对象,分析在全湍和转捩两种流动状态下分布式粗糙前缘对翼型失速特性的影响规律.使用Menter切应力输运模型和γ-Reet(Reθt为转捩动量厚度雷诺数,y为间歇因子)转捩模型,并分别耦合粗糙度模型和粗糙增长因子输运方程对翼型绕流进行模拟,分析翼型失速特性变化及失速前边界层流动发展状况.结果 ...     

微极流体方程组零角度和黏性极限的边界效应

微极流体模型能够描述带有悬浮颗粒的黏性不可压流体的运动.考虑一类二位不可压缩微极流体方程组的初边值问题,证明了当角度和微旋转黏性(r;ζ)趋于0时,方程组的解收敛于角度和微旋转黏性系数为零时方程的整体弱解.研究了微极流体方程组零角度和黏性极限的边界效应,给出了边界层厚度的阶数O(rβ)(0β23).与Chen等的结果相比,该边界层厚度更薄,并且提高了收敛率。     

侧加热腔体内对流特性的研究

本文通过二维流体力学方程组数值模拟,研究了侧加热腔体内的自然对流。探讨了格拉晓夫数对流场、温度场以及热边界层厚度的影响,普朗特数对流速的影响。结果表明:压强梯度促使入侵流的分离。热边界层厚度在初始阶段只随时间变化,与格拉晓夫数无关,在对流稳定阶段,随格拉晓夫数增大而减小,随腔体高度线性增大。普朗特数为常数时,铅垂方向最大流速随格拉晓夫数增大而增大;普朗特数和格拉晓夫数都为常数时,铅垂方向最大流速随时间先增大后减小,最后达到稳定。     

电磁力控制翼型失速的研究

电磁场在导电的流体边界层上产生的电磁力能有效地改变边界层的结构,控制边界层的流动分离,消除涡流,可以增加翼型体升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制.本文基于电磁体积力控制流体边界层原理,将包覆有特制电磁激活板的翼型体置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812(DSP芯片)组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的攻角和转速,显示流场的演化过程,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,电磁力能够消除翼型的尾流涡街,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速的发生.     

快速传热传质对Fe-Cu包晶合金凝固过程的作用机制

通过求解急冷熔体中的速度场和温度场, 分析了快速凝固过程中Fe-Cu包晶合金熔体的黏性流动及其组织形成规律, 并对理论结果进行了实验验证. 发现合金熔体在急冷快速凝固过程中, 沿液池的高度方向存在着较大的温度梯度, 而在与辊面相切的水平方向上液池温度变化不甚显著. 熔体自喷嘴喷出后, 在高度约180 μm处迅速改变流速的大小和方向: 水平流速迅速增大, 而高度方向的流速则急剧减小. 液池底部存在高度为160~240 μm的动量边界层和厚度为160~300 μm的热边界层, 边界层中的雷诺数Re在870~1070范围. 随着Re数的增大, 冷却速率呈线性增大, 热边界层厚度单调增加, 动量边界层厚度则呈现出非线性变化趋势. 当Re<1024时, 动量传输作用较强, 急冷液相的黏性流动比较显著, 分离液相易于形成纤维状凝固组织; 而当Re>1024时, 热量传输作用显著增强, 液相流动受到抑制, 容易获得均匀细小的等轴晶组织.     

流体遇障碍物后流动的初步发展数值模拟

利用ANSYS软件建立了四种形状的障碍物模型,对流体流经不同形状障碍物后流动的初步发展情况进行数值模拟,分析了流体流经过不同形状障碍物的流场,同时比较了不同来流速度下流体流经障碍物的流场变化。结果表明,随着来流速度的提高,流体越过障碍物后的主流速度提高,同时流体流经各障碍物时均出现了边界层分离,即回流现象,且该回流区随着来流速度的增加而增加。当流体越过半圆形障碍和曲线障碍时,边界层分离出现在障碍的拐点位置附近;而当流体越过三角形障碍和矩形障碍时,在其最高点位置处即出现边界层分离,且出现的回流区比半圆形障碍和曲线障碍下出现的回流区大。     

仿生射流表面优化设计与减阻机理分析

针对不同射流表面参数减阻问题,建立仿生射流表面模型,利用SST k-ω湍流模型对其进行数值模拟,所得结果与实验数据吻合良好。运用正交试验设计法对影响射流表面摩擦阻力的因素进行分析,得到各因素对减阻效果和节能效果的影响规律:形状因子对减阻率和节能率的影响最大,流速比其次,流速比与减阻率和节能率呈抛物线关系,形状因子与减阻率呈线性关系,且随着形状因子增大减阻率增大,最大减阻率为15.06%,最大节能率为13.57%。由于射流流体的阻碍作用,在射流孔背流面形成逆流区,逆流区近壁面形成的剪应力方向与来流方向相反,局部摩擦因数为负值,并且由于射流流体对主流场的推力作用,使得边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小。