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.     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

鄱阳县＂6．15＂特大暴雨过程的中尺度分析

2011年6月14日20点-6月15日20点鄱阳县出现了一次特大暴雨降水过程。本文通过西风带长波槽、西南涡、低空急流的时空变化分析,探讨了暴雨过程的形成原因。研究表明,暴雨带的形成与中尺度天气系统有着密切的关系。高空的低槽东移,中低层的有切变和低涡共同影响以及暖湿的西南急流不断的输送水汽,为暴雨的形成创造了充分的条件。     

基于混合数值方法的压气机离散噪声计算及分析

为快速估算轴流压气机离散噪声的远场声压级,采用计算流体力学(CFD)方法,对带有出口导流叶片的单级压气机进行非定常内流场数值研究,根据流场结果分析了压气机离散单音产生的位置和机理;在压气机瞬态CFD数据的基础上,运用计算航空声学(CAA)方法结合有限元/无限元技术对两个工况下的压气机噪声进行数值模拟,分析了近场/远场压气机离散噪声的辐射特性,并将模拟结果与实验值进行对比验证。数值模拟结果表明:混合数值计算方法计算结果与实验值基本相符合,可以用于压气机离散噪音的快速评估。     

凹壁不稳定性流动的数值计算

凹壁结构在工业应用的多个领域中都是很常见的,由于离心力不稳定性,流体流过凹壁面附近时可能会产生G?rtler涡。为了研究这些涡的特性及对流场产生的影响,采用CFD技术对曲率半径为2 m的弯曲渠道的流动过程进行数值模拟。用有限体积法对模型进行空间离散,采用大涡模拟中Smagorinsky-Lilly模型进行计算。通过与实验结果进行对比发现,计算结果能较准确的反应G?rtler涡随流动的发展过程。在此基础上进行的分析表明:在速度3 m/s,湍流度0.35%的进口条件下,沿流向流过一段距离后,在靠近凹壁的边界层中产生了G?rtler涡;涡轴平行于流动方向并且相邻涡轴之间的距离保持不变;随着涡在展向和法向空间的增长,速度等值线出现"蘑菇状"结构;靠近出口位置"蘑菇状"结构破裂,流动发生转捩。     

绕三维扭曲水翼非定常空泡脱落特性的数值研究

为了进一步探究绕三维扭曲水翼空化流动结构的非定常演变特性,基于均质流模型,采用大涡模拟(LES)方法,并耦合Zwart空化模型对绕扭曲水翼(NACA0009)的非定常空化流动进行了数值计算。结果表明:与试验结果对比发现,该数值计算方法可以很好地捕捉到绕NACA0009水翼的非定常空泡形态的演变过程,且计算得到的水翼升力系数的时均值及其特征频率均与实验值吻合较好。非定常空泡的脱落过程分为主脱落和二次脱落两个阶段,主脱落过程表现为大尺度空泡团的断裂,呈U型结构卷起并脱落,此时水翼表面的附着空泡呈凹形结构。随着时间的推移,附着空泡的两侧发生小尺度空泡团的二次脱落,产生局部高压,抑制了当地空泡的生长速度,从而使附着空泡由凹形结构逐渐发展为凸形结构。     

仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

湍流场中涡线单元的结构分析

与描述湍流速度场的流线管单元[Wang L. On properties of fluid turbulence along streamlines. J Fluid Mech,2010, 648:183–203]的思想类似,为了描述湍流涡矢量场的结构,我们提出了一种新的结构分析方法,即涡线单元,可以用单元尺度和极值点涡量差值来表征.涡线单元与常用的涡管结构的不同可以概括为:涡线单元结构可以定量描述,并且是全空间填充的.在理论上这两个条件是保证我们可以将涡线单元的结构分析与全流场统计规律联系起来的必要前提,帮助理解和重构湍流涡量场.根据直接数值模拟数据,我们研究了涡线单元的统计与结构特性,包括尺度与手性等.根据涡线单元结构可以定量表征精细的条件统计,例如发现涡相关的动力学参数(例如拟涡能耗散率和涡拉伸率)强烈依赖于基于涡线单元结构的条件统计.这样一种结构分析方法为深入研究湍流场提供了新的手段.     

高转速部分进气涡轮盘气流力及叶片振动响应研究

针对部分进气涡轮盘所受气流力在周向分布的严重不均匀易造成动叶片疲劳破坏的问题，从部分进气气流力特征和叶片振动响应两个方面进行了研究。根据已有数值模拟和实验结果给出了部分进气模式下考虑Kick效应的叶片所受气流力的分布曲线，采用快速傅里叶变换方法(FFT)分析了气流力的频谱特征，研究了转速和进气度等因素对气流力的频域特性的影响；采用有限元方法对某火箭发动机部分进气涡轮盘进行了瞬态振动响应分析，对比气流力的频谱特征，研究了叶片振动响应的特性。结果表明：在部分进气模式下，高转速涡轮盘叶片所受气流激励可以视为脉冲激励，存在多阶谐波分量；高转速或小进气度都会使得气流力的高阶谐波分量的幅值较大，使得涡轮盘叶片发生高倍频的共振或幅值较大的强迫振动，区别于全周进气的涡轮盘只需避开前6倍频气流力可能引起的共振，部分进气时还需考虑更高倍频气流力的影响。     

轴向磁场作用下平均Taylor涡对湍流脉动的影响

采用基于高精度电流守恒格式的直接数值模拟方法，对轴向磁场作用下导电流体的湍流Taylor-Couette流动进行计算.在等电势边界条件的同心圆筒中，磁场与感生电流引起的反向周向速度分布、以及其对平均流动的影响被揭示出来.采用两种不同的湍流流场平均方法，将湍流中的全部脉动划分为平均流动(Taylor涡)的贡献和湍流的贡献.通过计算不同磁场强度下的湍动能的分布，对比分析轴向磁场对平均Taylor涡流和湍流两种贡献方式的影响.