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.     

定常喷/吸流动主动控制方法减阻研究

针对Ahmed类车体,在车身斜面选定位置处设置控制槽,采用证明为有效的大涡模拟数值方法,研究喷/吸流动主动控制方法的气动减阻机理及效果.基于流场数据分析发现喷射控制致使车体斜面上流动大分离发生,拖曳涡对得以消除,但尾迹区尺度增大,气动阻力上升;抽吸控制方法抑制和消除展向涡结构的产生及发展,但拖曳涡对未受显著影响,气动阻力下降.     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

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.     

不同孔口构型合成射流激励器的低速翼型分离控制特性

为探索孔口构型对合成射流激励器流动控制效果的影响,采用数值方法研究了4种不同孔口构型的合成射流激励器对大攻角20。下NACA0015翼型分离流动的控制特性。通过对翼型气动力特性、脱落旋涡结构以及射流孔口附近流动结构的分析,阐述了合成射流的边界层分离控制机理。首先在距离翼型前缘10％、20％、30％弦长位置安装激励器进行数值模拟,得到20％弦长的激励器方案效果最好。然后在此位置处,采用设计出的“凸台型、凹台型、斜出口”以及常规平台型等4种孔口构型的激励器进行流动分离控制。结果表明,在所有方案中,流动控制效果最佳的方案是喷口向流动方向倾斜的孔口构型;在这种方案下,射流与主流掺混使得边界层的动能增大,抗反压能力增强,并且由于喷出的气流方向与主流方向夹角很小,掺混后的气流流动方向与主流相近,从而使得边界层分离被大大削弱甚至消失。     

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.     

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.     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。     

振荡射流控制翼型流动分离的数值模拟

为了研究大攻角下振荡射流控制翼型流动分离的机理,应用基于有限体积法和压力修正的SIMPLEC算法,数值模拟了表面施加振荡射流的翼型分离流动。结果表明振荡射流在给定条件下能够显著改善翼型的气动性能,提高翼型的升力系数,升力增幅高达18%。对振荡射流增升的流动机理分析表明,增升的机理是因为振荡射流产生的小扰动完全改变了翼型在大攻角粘性流动时产生的涡列结构,并且在翼型头部产生了非定常的分离涡。     

低压透平叶片表面合成射流非定常流动控制机理研究

基于Langtry-Menter转捩模型的SST湍流模型,通过求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,数值研究了低雷诺数下合成射流涡发生器对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了低压透平叶片表面合成射流非定常流动的控制机理.结果表明,引入合成射流涡发生器能够抑制甚至消除低雷诺数下叶片吸力面上的流动分离.在雷诺数为25 000、自由流湍流强度为0.08%下,提高射流控制频率有助于增强合成射流涡发生器对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,减少流动损失.当控制频率为10Hz时,叶栅出口的相对总压损失系数为0.42;当控制频率增加到20Hz时,相对总压损失系数仅下降到0.41.这表明,当合成射流控制频率大于10Hz时,继续增加控制频率来减少叶片表面流动损失的效果是不明显的.     

非对称来流下微型涡流发生器边界层流动控制

为有效改善超燃冲压发动机隔离段性能,运用数值模拟的方法研究了来流马赫数2.0条件下多种结构的微型涡流发生器的流动控制特性。研究结果表明随着微型涡流发生器后缘宽度的增加,隔离段内激波串长度有效缩短,高压前锋后移且整体式略优于分离式;整体式微型涡流发生器产生的流向涡对的横向距离较近,与下壁面的距离较分离式远,能在短距离流动过程中将动量传递给低动量区,有效改善边界层流动性,但作用距离较分离式短;带后缘宽度的微型涡流发生器可有效降低流场总压畸变,对流场质量改善作用要优于基本型。     

旋涡管内的能量分离

改变旋涡管切向喷进速度以对旋涡管进行管内能量分离研究.结果表明旋涡管内能量分离效果主要取决于切向喷进速度.在亚声速区,分离效果与旋涡管喷嘴出进口压力比呈线性关系,且与喷嘴进口压力无关;最大能量分离效果发生在临界压力比附近,且受喷进压力影响,能量分离过程主要发生在旋涡管的前三分之一管段。还对最大能量分离效果进行了分析.     

基于合成射流的高空飞艇分离流控制

采用数值模拟方法研究了基于合成射流技术的高空飞艇流动控制方法。将合成射流装置安放在飞艇表面,靠近分离线处,并沿分离线布置,通过合成射流口吹吸空气产生涡流,并将其注入边界层内来达到延缓流动分离,进而达到减阻和大迎角阵风减缓的目的。研究首先利用对原始飞艇进行仿真,找到分离线的位置,进而研究了合成射流口出射速度幅值不同时飞艇阻力系数的变化,并以此来分析合成射流的流动控制效果。结果表明,射流口吹吸速度幅值越大,时均减阻效果越好,但射流的能量消耗也越大,气动力的脉动幅值也大。在扣除合成射流本身的能量消耗影响以后,最优的时均控制效果发生在迎角30°左右。研究结果显示,合成射流可以用来降低飞艇小迎角下的巡航阻力,也可以用来控制大迎角情况下的瞬态气动力,从而作为阵风减缓措施。     

等离子体流动分离控制的数值模拟

采用Shyy等提出的等离子体激励器对流动施加体积力的简化模型,测试了激励器对圆柱绕流分离的控制效果。研究了激励器对于大迎角下NACA 0015翼型流动分离的控制情况。数值结果表明:前缘是施加激励作用的最佳位置;当激励器处于最佳激励位置时,对NACA 0015翼型施加等离子体激励能有效的抑制流动的分离。在所研究的范围内,施加的激励强度越大,控制效果越好。结果表明:该方法对于流动分离的控制效果显著,达到了增升减阻的目的。     

涡街流量传感器在二维和三维流场中特性之比较

涡街流量传感器中的涡街现象存在于三维管道中,其信号特性表现出与二维情况较大的差异．研究这种差异对于涡街流量传感器的设计以及三维建模具有十分重要的意义．通过在近似二维流场（水槽中）以及三维流场（管道中）的实验,发现管道中的涡街频率比水槽中高出至少1倍,且最强信号出现的位置比水槽中更靠近旋涡发生体,由此引发了对二维、三维涡街流场特征的研究．通过数值仿真,揭示了造成差异的原因是管壁的约束作用以及涡管的扭曲,同时对涡街流场的速度分布等特征进行了分析．     

螺旋流光整加工中旋涡流流场的数值模拟研究

运用CFD软件Fluent和Gambit对加有阶梯形套管和锥形套管的等直径工件孔内旋涡液流场进行了数值模拟,模拟结果用流线图、切向速度径向分布图等表示,通过对结果的分析比较得出了结论,为今后螺旋流光整加工的实验研究提供了依据。     

Large Eddy Simulation of New Vortex Generator Enhancing Heat Exchange of Solar Energy

This paper put forward a new-type vortex generator enhancing heat exchange of solar air-drier and air-heater on the gas side,and investigated the mechanism of heat transfer enhancement and drag reduction by the influence of vortex generators on the coherent structure of turbulent boundary layer.The flow and heat transfer characteristics of rectangle channel with bevel-cut half-elliptical column vortex generators were obtained using large eddy simulation (LES) and the hydromechanics software FLUENT6.3.The instantaneous proper-ties of velocity,temperature and pressure in channel were gained.The coherent structure of turbulent boundary layer flow was showed, and the characteristic of vortex induced by inclined-cut semi-ellipse vortex generator and its influence on turbulent coherent structure were analyzed.And the effect mechanism of turbulent coherent structure on flow field,pressure field and temperature field was discussed.Based on the results,the heat trans-fer coefficient and drag reduction of the new vortex generator with different pitch angles were compared.Some-times.the coherent effects of the increased wall heat transfer and the decreased skin friction do not satisfy theReynolds analogy.The turbulent coherent structure can be controlled through the geometry of the vortex gener-ator.so the heat transfer and drag reduction can also be controlled.Then we can seek suitable form of vortex generator and structure parameters.in order to achieve the enhanced heat transfer and flow of drag reduction in the solar air-heater and solar air-drier.     

增升装置中的流动控制技术

阐述了襟翼涡流发生器、主翼后缘偏折技术、Zhu’s襟翼、自激励运动襟翼、零质量射流、等离子体技术以及动力增升等各类主动控制技术的工作原理及其增升效果分析和具体应用情况.结果表明,这些流动控制新技术对于进一步提高民用飞机的增升效果具有巨大的潜力.     

稳定叶片对S弯进气道流场的作用规律研究

本文就稳定叶片对６０°或４５°攻角下Ｓ弯进气道内的气流流动作用规律进行了实验研究，稳定叶片被安放在进气道的进口处，且可以绕轴自由转动．结果表明，该叶片在气流流场中有两个自动稳定位置，气流对叶片没有造成气动力的合力矩．另外，在两个稳定位置下的Ｓ弯进气道出口分别出现了顺时针和逆时针方向旋转的固体式单涡旋流．本文研究结果为后来的旋流控制或旋流模拟打下了重要基础