微型涡流发生器控制SCCH增升构型流动分离研究

针对等弦长带后掠半模SCCH增升构型襟翼附面层发生流动分离,线性段增升效率降低的问题,采用数值模拟和风洞试验方法,开展微型涡流发生器控制襟翼附面层流动分离研究.首先,采用数值方法分析SCCH增升构型的基本流动现象,获得襟翼流动分离特性,作为微型涡流发生器设计依据;其次,根据涡流发生器工作原理,结合SCCH增升构型襟翼结构与流动分离特性,提出本文微型涡流发生器设计思想和初步设计方案;再次,采用数值方法研究微型涡流发生器控制增升装置流动分离的作用机理,研究微型涡流发生器布置方式、弦向位置、安装角、高度、展向间距等几何参数对流动控制效能的影响规律,提出控制襟翼流动分离的微型涡流发生器设计方案,供风洞试验验证;完成数值设计之后,采用风洞试验方法,进行微型涡流发生器设计方案验证与可能的方案筛选,以验证数值模拟方法、设计方法及涡流发生器设计方案;最后,分析数值模拟和风洞试验研究结果,提出具有工程应用价值的增升装置微型涡流发生器设计原则、设计方法及技术路线,供型号研制借鉴与采纳.研究结果表明,本文针对SCCH着陆构型提出的微型涡流发生器设计方案,经CFD和风洞试验验证,在着陆及下滑进场飞行状态,最大增升与增阻量分别达到10%和14%,符合着陆飞行状态对增升装置的设计要求,且CFD方法提出的设计方案最佳,具有惟一性;同时也表明,本文提出的增升装置微型涡流发生器设计原则、设计方法及技术路线可用于型号研制.     

环量控制翼型非定常绕流特性研究

用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程方法较系统地数值环量控制翼型的非定常绕流问题，包括脉动吹气，不同Ｃμ下以不同频率做俯仰振荡运动时的流动，在俯仰振荡与脉动吹气耦合作用下的流动。     

激励频率对等离子体合成射流的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同激励频率下等离子体合成射流诱导的流场,其中等离子体激励器采用体积力唯象模型模拟.计算结果表明,随着激励频率的增大,激励器诱导的相邻两个涡对的流向间距单调减小,涡对引起的速度波动范围变小,激励频率f=60Hz时,相邻两个周期内所形成的涡对很快融合在一起,下游的流场结构更接近于定常激励的情况.激励频率对等离子体合成射流平均流场几乎没有影响.等离子体激励频率较小时（f〈40Hz）,等离子体合成射流在近壁面区域内的动量随着激励频率的增大而增大,在距壁面较远位置以后,变化趋势相反.     

燃气射流控制进气道调节原理及数值验证

为了提高固冲发动机＂变工况＂工作条件下进气道性能,将外部波系封口马赫数降低的设计方法与燃气射流进气道控制技术相结合,提出了燃气射流控制进气道设计方案;为分析设计方案的可行性,设计了三种进气道,并采用数值模拟方法三种进气道流场进行了模拟;通过对模拟结果的分析探索了调节方案的调节原理;通过对三种方案进气道性能的比较,初步验证了调节方案.研究表明：采用降低外部波系封口马赫数的设计方法可提高进气道低马赫数工作时的流量系数;燃气射流控制技术可均化进气道在高马赫数工作时的入口流场,减小有效喉道面积,提高总压恢复;射流控制可调进气道在一定工作范围内具有较好的性能.     

合成射流控制圆柱分离及绕流结构的实验研究

在水槽中对合成射流控制圆柱分离及其绕流结构进行了实验研究. 射流出口为狭缝, 由圆柱前驻点向上游喷射. 实验表明: 与传统的将射流出口置于分离点附近或分离区内一样, 采用的合成射流布置方式对圆柱绕流分离同样具有很好的控制效果, 但控制机理不同. 在本实验采用的合成射流作用下, 圆柱绕流的前驻点前移, 在狭缝出口两侧形成一对旋涡. 当基于合成射流出口平均速度的雷诺数ReU约小于43时, 绕流在圆柱迎风面前形成闭合包线, 起到前缘修形的作用; 而在Re_U较大时则在圆柱迎风面前形成开式包线, 并使绕过圆柱的流体具有很强的湍流动能. 因此, 不论Re_U的大小如何, 合成射流都能改善圆柱绕流的分离状况. 对于圆柱背风面流动, 随着Re_U的增大, 后缘分离区逐渐减小, 在圆柱上游形成开式包线, 且大约当Re_U大于344时, 圆柱绕流可完全再附. 此时, 绕过圆柱的流体在后驻点附近汇合, 形成强剪切层, 诱导产生周期性向下游脱落的旋涡.     

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.     

垂直喷淋式MOCVD反应器中射流影响的研究

针对垂直喷淋式MOCVD反应器的射流现象进行数值模拟研究.通过改变反应腔高度、喷口间距、喷口速度、托盘转速等,对反应器内的流场、温度场、浓度场随上述参数的变化进行详细探讨,进一步探索MOCVD反应器中射流影响的规律.通过模拟发现:(1)在喷口下方的反应腔空间,射流速度、温度和浓度均存在周期性波动,此波动由衬底中心到衬底边缘逐渐衰减;(2)衬底中心处的垂直射流速度大于周边的速度,中心浓度高于边缘浓度,中心温度低于边缘温度;(3)增加反应腔高度,减小喷口间距,减小喷口速度、增加衬底转速,均有利于衬底上方轴向速度和反应前体浓度沿径向分布的平缓.     

高压水旋转射流喷嘴的外部流场数值模拟

运用fluent软件对高压水旋转射流喷嘴的外部流场进行数值模拟。结果表明：高压水旋转射流不同于普通圆形射流,其能量不是集中在射流中心部位,而是集中在一定半径的圆环上,并具有明显的扩散现象。轴向速度从离开喷嘴后开始衰减,随着旋流强度的增加,衰减速度明显加快。模拟的结果为喷嘴参数的设计选取提供一定的理论依据,对实际工程具有一定的指导意义。     

合成射流改善S形进气道流场特性的研究

S形进气道存在严重的流动分离及二次流现象,导致进气道出口总压恢复系数低、流场畸变严重.由于二次流的存在,进气道内流场三维性较强,常规的在展向或周向施加等量的控制针对性并不强,本文在矩形进气道模型上游弯道流动分离处不同展向位置施加等强度的合成射流控制,研究不同展向位置对控制效果的影响.首先对进气道内流动分离和二次流的相互作用进行了分析,发现在进气道展向不同位置二次流可能会抑制或加强流动分离,流动分离也会使二次涡加强,导致出口局部区域压力恢复非常低.在展向不同位置施加控制,可通过改善展向不同区域流动分离来产生不同旋转方向的流向旋流和二次流相互作用,降低二次流的强度,获得较高的总压恢复.     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

涡环垂直撞击壁面的研究进展

旋涡是流体力学中极其重要的流动结构之一,人们对旋涡的研究已经有超过一百年的历史．近年来,涡环与固体壁面的相互作用引起了人们的广泛关注．这不仅因为旋涡与壁面的相互作用在工程中很常见,更重要的是这有助于人们进一步理解旋涡与边界层相互作用的机理．分别对涡环撞壁后涡结构的演化、涡环的周向不稳定性、合成射流涡环撞壁、涡环的压缩性对涡环撞击固体壁面的影响及涡环与可穿透壁面的相互作用等方面进行了回顾与总结,并指出了存在的问题及今后的研究方向．     

二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

基于紊流理论和射流冲刷机理,本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型．以拖曳力为主要参变数,导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型,将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准,模型中没有考虑悬移质的运动,推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述,从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型．针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究,得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料．选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算,试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程,两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性,进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式．     

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.     

三维平面转捩射流中的拟序结构

对具有中等雷诺数Re=5000的三维湍流转捩射流中的拟序结构进行了直接数值模拟,并把流场统计结果跟相关的实验数据进行对比,以验证数值算法的可靠性。其中对控制方程组的空间离散采用有限容积方法,时间积分采用低存储的、三阶精度的Runge-Kutta积分格式。重点研究了三维拟序涡结构的空间演化过程及其相互作用,发现三维展向涡的演化模式与二维射流中的相似。展向涡结构受到三维不稳定性的影响,从而会诱发流向和横向涡结构的形成。当展向涡结构出现混合破碎时,流向涡管和横向涡管也开始断裂破碎,流场中形成混合排列的小尺度结构。最后对展向、流向和横向涡结构间的排列关系进行了分析,探讨了各种涡结构间的相互作用。     

距离对合成射流涡环撞击壁面的影响

利用二维PIV测速技术研究了射流孔口与壁面距离对合成射流涡环撞击壁面过程的影响,分析了涡环撞击壁面的演化规律,给出了流场的统计特性．研究结果表明,不同的孔口与壁面距离的差异,最终体现在涡环靠近壁面时涡量强度及撞击速度的差异;基于孔口直径的无量纲距离接近或小于合成射流无量纲冲程时,涡环撞壁会在壁面附近诱导产生二次涡结构．因此,合适的孔口与壁面距离对涡环撞击壁面效果起着至关重要的影响．流场统计特性分析表明,涡环撞壁后形成壁面射流,其时均速度最大值衰减速率和射流半宽度扩展速率随孔口与壁面距离的增加而减小．无量纲化的壁面射流速度型均表现出自相似特性,并且与壁面层流射流的理论曲线吻合较好．     

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．