鱼游尾迹中射流分布特征的数值模拟研究

本文采用一种通过控制仿生鱼摆频来达到自主推进状态的数值模拟方法,研究了不同雷诺数下二维仿生鱼自主游动时尾迹中射流的分布特征,并通过模拟两条鱼串列和交错排列时的自主游动,分析了上游鱼的尾迹对下游鱼的影响．结果表明：仿生鱼尾迹中射流的强度随着雷诺数的增大而减小,射流的空间影响域随雷诺数增大而增大;鱼游尾迹中的射流虽然可以导致下游鱼的阻力增加,但能耗却会降低,这与前人的假想恰好相反;而且随着两条鱼间距离的增大,尾迹中的射流会逐渐减弱为低速区,从而导致下游鱼的阻力小于单条鱼游动时的阻力,节能效果更加显著．本文的研究结果将有利于深入理解鱼群中的节能机制以及鱼群的最优排列方式．     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

有限流道内低雷诺数二维圆柱绕流数值模拟

为揭示尾迹流场特性及其演化规律,采用多块辐射型网格,以计算流体力学软件FLUENT为平台,对有限流道内低雷诺数二维圆柱绕流进行数值模拟,讨论压力速度耦合算法、压力离散格式和动量方程离散格式对模拟结果的影响。研究结果表明:动量方程离散格式对数值模拟误差的形成起主要作用,较佳数值模拟算法为SIMPLEC压力速度耦合、二阶压力离散和QUICK动量方程离散的组合。尾迹流场中静压在沿轴向2.6～12倍流道宽度范围内波动较显著;并且随着流速增大,轴向压降最大点越靠近圆柱,径向静压幅度变化越大。     

鱼类游动的N-S方程数值模拟

通过求解二维守恒型非定常流动N-S方程,对鱼类运动时鱼体周围二维非定常流场进行数值模拟,数值计算空间采用有限体积离散,时间推进格式采用Jameson的双时间法。描述了各状态鱼体模型、计算网格的生成方法和数值计算方法。结合计算结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析,并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明：非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成;产生明显推力的St数的范围是0．23～0．53,而且在0．35处推力达到最大。     

分层流体中尾迹时间序列结构的实验研究

在大型重力式分层流水槽中,采用多点组合探头阵列的动态测量方法,通过对线性密度分层盐水中拖曳球产生的扰动密度场的时间序列分析,研究了运动物体生成内波的运动学和动力学特性,实验获得了体积效应内波向尾迹内波转变的特征结构和体积效应内波传播的三维非对称结构,由此建立了体积效应内波的预测模型.研究表明：建立以实验为依据的理论预测模型是运动源致内波研究的有效途径.     

分层流体中螺旋桨效应激发内波的实验分析

为获取分层流体中螺旋桨尾迹的水动力学特性,在大型分层流水槽中采用多点组合探头阵列测量技术,对具有连续密度跃层流体中Suboff自航体模型螺旋桨产生的扰动特征进行了定量测量与分析。与拖曳体模型的尾迹特征比较,螺旋桨效应在分层流体中的水动力学尾迹具有特殊结构,其临界Froude数增大为Frs=4.4,波动中存在2种扰动波系,包含低频波动和非对称波形结构。相关结果不仅建立了对分层海洋中复杂螺旋桨效应的初步认识,也为分层海洋中螺旋桨水动力学尾迹建模及其应用提供了进一步的实验依据。     

类车体尾迹流动非定常特性

通过与已发表的数据相比对,对大涡模拟方法的有效性进行验证.采用该数值方法对高雷诺数下25°后倾角Ahmed类车体背部斜面及尾部垂直面处尾迹区的流动进行解算.通过对背部斜面处分离泡、背部斜面侧边"C柱"处卷起的拖曳涡对及尾部垂直面处回流区流场信息的采用及相关频谱特性分析,研究并明确了尾迹区起主导作用的大尺度相干结构及运动的非定常特性.在流动的不同区域,类车体尾迹区流动的非定常特性不尽相同,主要体现为背部斜面分离泡的拍击振动具有绝对不稳定性特征,由KelvinHelmholtz(KH)不稳定性诱发的大尺度相干结构具有对流不稳定性特征;两侧"C柱"拖曳涡对在背部斜面上与展向涡相互耦合,具有较好的对称性;拖曳涡对在垂直面处回流区内与该区展向涡相互混掺,但无耦合作用且不具有对称性;垂直面处回流区内上、下侧剪切层卷起的展向涡以类似卡门涡街形式交替产生并脱落;高雷诺数时,整个尾迹区流动的特征频率趋于一致.     

二维类车体尾迹中的低频震荡（英文）

汽车尾部的大尺度流动分离是汽车外流场的显著特征之一,其与气动阻力、结构振动和震荡密切相关。应用直接数值模拟(DNS)方法研究在雷诺数Re=2.3×10~4下某二维类车体尾迹中的低频震荡。该类车体常被用于汽车空气动力学学术研究,因为其轮廓可涵盖到货车主要几何特征,且其尾迹与货车的准二维尾迹具有共性。计算结果对照现有的实验结果进行验证,二者之间的差异经过评估确认了该计算的正确性。流场结果显示低频震荡与尾迹中两种模态之间的相互转换有关。这两种模态分别由Kelvin-Helmholtz不稳定性及尾迹的不稳定性主导。前种模态下,尾部分离的上、下剪切层在几乎相同的时刻产生涡脱落;而在后种模态下,上、下剪切层交替地产生涡脱落形成卡门涡。根据不稳定性理论讨论了模态转换的机理,并阐述了因低频震荡而产生的气动力变化。     

利用数字化方法验证小球二维碰撞中的动量守恒

利用多媒体技术和数字化方法可以使普通数码摄像机实现频闪仪的拍摄效果,笔者利用CASIO(EX—FH100)数码相机的高速摄像功能拍摄小球的二维碰撞过程,得到视频文件,然后通过视频播放软件QQ影音和视频截图软件"Mr.Captor"进行截图,得到类似于频闪照片的图片,再将图片粘贴至几何画板中加以分析和计算,很好地验证了小球二维碰撞过程的动量守恒。这种方法可供选修课或学生研究性学习时选用。     

基于本征正交分解和动态模态分解的尾涡激振现象瞬态过程的模态分析

尾涡激振是气动弹性领域的一种常见现象,在上游尾迹的气动激励下会导致流场中结构的强迫振动,该现象会危及被激励结构的完整性和疲劳寿命.本文使用圆柱/叶片的近似模型研究尾涡激振问题.该模型中的圆柱位于上游均匀来流,能够产生特定频率的卡门涡街;叶片位于流场下游,受到圆柱尾迹所施加的持续脉动激励,产生强迫振动.针对尾涡激励的近似模型,通过基于Fluent的二维数值计算,模拟了上游圆柱的脱落涡以及叶片从固定到以本身自然频率振动的瞬态过程,从而提供了流场变化过程的详细信息.基于非定常瞬态结果,采用本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)分析方法,通过分解与重构叶片附近流场的压力场,提取模态频率及其变化过程,得到了尾涡激振现象的主要流动特征.通过对比两种模态分析结果发现,POD重构在残差处理方面有较大的优势,而DMD在单一频率模态的提取以及变化情况的分析方面更有优势.     

Drag increment due to internal waves generated by Rankine ovoid

The experimental results on drag increment caused by internal waves, which are generated by a Rankine ovoid towed horizontally at constant velocities in a two-layer stratified water (a strong pycnocline) initially at rest, are presented. The drag increment due to stratification is obtained experimentally as a function of internal Froude number Frd and Reynolds number Re. From the results, it is shown that as a function of Frd or Re, an increment in mean drag coefficient due to stratification ΔCd has both increasing and decreasing region attributable respectively to internal wave and to collapse of mixing fluids in the wakes. A most significant result shows that when Frd=0.838 there exists a maximum of ΔCd, which is equal to 0.05 in the exciting region of the strong internal wave generation.     

动量法翼型阻力飞行测量技术

本文主要对动量法翼型阻力测量的飞行试验技术进行了研究。首先对动量法测量原理和试验飞机进行了简要介绍,然后重点对两种测试设备:尾流探头和尾流耙进行了研究,并提出了相应的飞行试验方法和测试难点。最后初步给出了数据处理方法和不确定因素分析。在国内尚未开展翼型阻力测量方面的飞行试验下,可为今后的飞行试验提供参考。     

Wake structures of two spheres in tandem arrangement at various gaps for Re = 300

The virtual boundary method is extended to a 3D application and used to simulate the flow field of two spheres in tandem arrangement for a Reynolds number of 300. The wake structures and flow spectra at various gaps are investigated. The numerical results show that for small gaps (≈1.5), due to the mutual suppress between the wakes of the two spheres, the full flow field is stable and axisymmetric. As the gap is increased to 2.0, an asymmetric but stable flow is constructed through a certain bifurcation. The downstream wake structure is characterized by a double-thread vortex structure that comprises two slender parallel vortex tubes. The double-thread structure has a planar symmetry at gap 2.0. The hairpin-shape vortices are periodically shed from the downstream sphere at gap 2.5, but the planar symmetry persists. The vortex structures at gaps ranging from 3.0 to 4.0 are irregular and the flow field is undergoing a kind of 3D transition. It is up to the large gap 5.0 that the hairpin-shape structures are reconstructed behind the upstream and the downstream sphere, and the planar symmetry is resumed. All these numerical computations were performed on an SGI Origin3900 machine at the Center for Engineering and Scientific Computation of Zhejiang University.     

基于激光雷达回波的动态尾涡特征参数计算

为了实现对飞机尾涡的有效检测,提高机场跑道利用率,减少飞机延误,本文以尾涡物理模型为基础,分析尾涡的环量和径向速度分布规律,并结合尾涡的下沉及消散模型,提出一种基于激光雷达回波的动态尾涡特征参数计算方法,即利用激光雷达回波数据提取尾涡流场的速度包络,解算出尾涡径向速度分布,并根据其反演出涡核位置及尾涡环量。采用仿真的动态尾涡流场激光雷达探测回波数据进行算例分析,验证了该方法的有效性。     

高斯涡旋光束的动量及轨道角动量与拓扑电荷数的关系及其在自由空间中的传输

将近轴光束理论应用于光束的动量及轨道角动量研究,推导了涡旋光束动量以及轨道角动量的解析表达式,在此基础上,对高斯涡旋光束的动量及轨道角动量的分布及其在自由空间中的传输进行了研究.理论分析及数值计算表明,动量的径向分量和角向分量在数值上比较接近,远小于动量的纵向分量,随着传输距离的增大,动量的三个分量在观测平面上的分布会逐渐沿径向拓展,其在观测平面上的极大值位置各不相同,都与源平面上光束的拓扑电荷数和束腰半径有关,观测平面上的整体积分表明,动量的三个分量在传输中都保持守恒;另外,观测平面上高斯涡旋光束轨道角动量的分布在传输中也会沿径向拓展,其在观测平面上的极大值位置与动量的纵向分量相同.观测平面上的整体积分证实了高斯涡旋光束在传输中轨道角动量保持守恒.     

喷气涡流纺导引体结构参数的优化

导引体是喷气涡流纺喷嘴的重要组成部分,为了研究导引体结构参数对纺纱的影响,对导引体的结构参数（螺旋角α、导引针长度L）进行了研究,选择5种螺旋角α／（15°,30°,45°,60°,75°）,4种导引针长度L（0．5,1,1．5,2mm）,以粘胶纤维（39mm×1．23dtex）为原料在喷气涡流纺纱小样机上进行纺纱实验,实验结果表明：OL=30°～45°,L=1～1．5mm为导引体的最佳结构参数．     

非涡核区域尾涡遭遇快速建模方法

基于Hallock-Burnham尾流速度模型,建立了尾涡流场、滚转力矩及最大坡度计算模型。通过对非涡核区域尾涡遭遇的仿真,计算尾涡流场中不同位置的飞机最大坡度,按坡度大小进行尾涡流场区域危险等级划分,确定流场中不同危险等级的分布范围;研究分析了飞机飞行高度、重量、马赫数以及前后机间隔等因素的变化对飞机尾涡遭遇的具体影响。通过案例分析计算,验证了模型的快速性,可用于尾涡流场非涡核区域危险性分析。     

Kinematics and forces of a flexible body in Karman vortex street

Experiments of a flexible filament in the wake of a cylinder and in free stream were conducted in a vertical soap film tunnel. The experiments distinctly visualized the movement of the filament. Based on the experimental kinematic results, a 2-d panel method was used to calculate the forces acting on the filament. The experiment and numerical results revealed that different from that in free stream, the filament in Karman vortex street flapped at the same frequency as the vortex street, and with smaller amplitude and larger curvature. The filament suffered an evident thrust in Karman vortex street, while a drag appeared in the case of free stream. The dependence of the drag coefficient on the phase relation between the movement of the filament and the Karman vortex street was also studied. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10832010) and Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KJCX2-YW-L05)     

叶轮机械减噪技术综述

风机噪声是飞机发动机噪声的主要成分。研究表明通过减少风机转子稳定尾迹的亏损和降低转子尾迹的不稳定水平,宽频噪声和离散噪声组分都有可能被削弱。但喷气方法使用不当反而会使尾迹区更加复杂,噪声更大。文章采用商用流体计算软件对采用尾部喷气方式下叶栅后流场的变化进行了数值模拟,用轴向速度和动量厚度衡量尾迹亏损,寻找能够较好地填平尾迹亏损区的方案。