高压圆盘气体轴承可压缩边界层形态分析

高压圆盘气体轴承中气流速度高、雷诺数大,气膜内边界层的发展形态对主流和轴承承载力的影响不可忽视。在数值计算方法可行性验证的基础上,采用γ-Reθ转捩模型对具有双对称收缩段结构的高压圆盘气体轴承气膜内的流场进行数值求解,分析气膜间隙、供气压力及轴承半径对气膜边界层的影响。结果表明,减小气膜间隙、降低供气压力、增大轴承半径,均可促进气膜边界层的发展;边界层完全发展后,主流被边界层淹没,边界层内的黏性力作用于气流,气流速度下降,使气膜内的压力维持在较高水平,从而提高了气体轴承的承载能力。根据数值计算结果确定了高压圆盘气体轴承实验模型的工作参数。     

径向滑动轴承中流体从层流到紊流的流动分析和转变判据研究

本文推导了有限长圆柱轴承油膜流体流动的约束方程和固壁上的压力边条,用原始变量法直接求解了三维完全的N-S方程,计算分析了有限长圆柱轴承中油膜层流失稳的临界Taylor数、流场、压力场和摩擦阻力,并通过实验对临界Taylor数进行了验证,结果表明,在有限长轴承中,随着转速的提高,摩擦阻力线性增加,层流失稳出现的涡动将增加摩擦阻力,随着偏心率的增加,层流失稳的临界转速将提高.     

基于大涡模拟方法的高超声速翼身组合体边界层转捩现象及机理

[目的]翼身组合体是典型的高超声速飞行器构型之一,其独特外形对应的转捩现象及机理对于深入探究复杂外形的边界层转捩具有重要意义.[方法]采用隐式大涡模拟(implicit large eddy simulation, ILES)方法,对一种大翼展翼身组合体外形的边界层转捩现象及机理进行了深入分析.[结果]研究发现,在背/迎风面的机翼上,宽频扰动和角区流向涡展向相干,促使流动发生转捩;在背/迎风面的机身侧缘存在第二模态波,其下游流动同时还受横流效应和角区流动失稳转捩的影响;背风面双锥结构处的膨胀区会抑制不稳定波的振幅进而延迟该区域转捩;迎风面中心线上存在较强的流向涡不稳定性.[结论]在各局部几何结构上多种扰动的作用下,翼身组合体外形呈现由角区起始向下游扩展至机翼和机身,并最终呈三角形分布的转捩特征.这项研究不仅展示了翼身组合体特殊的边界层转捩现象,并揭示了其相关流动机理,也表明了ILES方法在预测高超声速复杂外形边界层转捩问题时的应用潜力,为复杂外形边界层转捩现象及机理的深入研究提供了参考.     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

气体模型对火星进入器边界层特征参数及转捩预测的影响研究

湍流转捩是影响飞行器热环境的重要因素,本文针对火星进入器进入过程中面临的边界层转捩问题,建立了基于转捩准则的光滑/粗糙壁面火星大气边界层转捩预测方法,分析了气体模型以及壁面温度约束对边界层特征参数及进入器转捩特性的影响,给出了一个典型火星进入器外形在光滑壁面及粗糙壁面条件下的转捩特性.研究结果表明,二氧化碳的离解反应及...     

剪切流动亚临界转捩中的时空间歇性和相变研究进展

剪切流动中层流向湍流的转捩是流体力学中的一个经典难题.近些年在亚临界转捩方面取得了若干重要进展,特别是在转捩的时空特征方面.研究发现,亚临界转捩中湍流以局地湍流形式存在,且表现出复杂的时空间歇性.对局地湍流结构及其时空复杂性的研究逐步揭示了转捩现象和统计物理中的连续型相变之间的关系:流动转捩可能属于一个可描述广泛临界现象的相变普适类,即导向逾渗相变普适类.目前学界仍在试图证明这种相变比拟适用于所有壁面剪切流动中的亚临界转捩.近期在泰勒-库埃特流动实验中给出了相变的直接证据,但对于管道和槽道流动,由于转捩临界点附近系统演化的巨大时间和空间尺度,实验和计算都难以足够靠近临界点进行直接验证,而且槽道流转捩临界点附近湍流的时空特征与导向逾渗相变之间的关系仍不明晰.因而,该比拟的普适性还有待进一步的确认.     

平板表面边界层流态结构的数值模拟

采用γ-Reθt转捩模型对平板表面边界层进行了数值模拟,研究了边界层在法向和流向上的发展变化以及壁面粗糙度、来流风速、湍流度、压力梯度等因素对边界层发展的影响。研究结果表明：在转捩区间内壁面摩擦系数以及离壁面一定高度处的总压会发生突变,边界层厚度沿流向不断增厚但其增长率不断下降;层流边界层中黏应力占主导,湍流边界层中应力变化依次为黏应力占主导、黏应力不断下降而雷诺应力不断上升、雷诺应力占主导,分别对应层流底层、过渡层、对数层与外层;转捩过程中黏应力在壁面处达到的峰值不断增大而其衰减变得更快,雷诺应力的峰值不断增大但达到峰值时对应的法向高度不断降低;粗糙度的增大使湍流边界层黏性底层消失,对数律层下移;湍流度和风速的增大使转捩提前,转捩区间缩短,同时降低了湍流边界层增长率;压力梯度则对湍流边界层增长率影响很大,逆压梯度易使边界层快速增厚。     

基于灰色模型的电磁轨道发射实验电枢初速分析

为了研究电磁轨道发射系统电枢初速影响因素和电枢转捩的辨识方法,在灰关联熵分析的基础上,分别建立了外场试验数据和内弹道理论计算数据的非线性GM(1,N)灰色模型.通过对模型中驱动系数数值和极性的比较,对影响因素的动态协调性进行了定量分析.结果表明:在电磁轨道发射实验中,对电枢初速促进作用最大的是放电电压,其次是电枢直径;测速靶位置对电枢初速的抑制作用最大,电枢质量次之;电枢质量的权重与电枢转捩之间存在某种内在联系.     

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。     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。