自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

低雷诺数时卡门涡街的重新排列

本文研究了风洞里低雷诺数时,圆柱体尾流中卡门涡街的重新排列。用烟雾法显示了尾流中的流谱。用热线技术测量了尾流中速度脉动的波形、自关联和频谱。在纯卡门涡旋区域中,当雷诺数低于160时,观察到卡门一次涡街在下游的一段距离处解体。发现了另一种形状的卡门涡街,它以较大的尺度出现在更下游的地方,在雷诺数高于160时,便观察不到涡街的这种重新排列。在二次涡街中相邻二涡旋间的流向距离同一次涡街中相应距离之比与雷诺数成反比。当雷诺数低于160时,在尾流中测出的速度脉动的波形、自关联及频谱清楚地表明二次涡街的出现。在一次涡街中,两条涡列之间的横向距离同相邻两个涡旋之间的流向距离之比沿下游方向增大,但这个比值在近尾流处要比卡门理论值0.281小,在下游位置处则要比理论值大。在下游处涡核的尺寸增大,但环量几乎不变。      

基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.      

EXPERIMENTAL STUDY ON QUANTITATIVE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF HAIRPIN VORTEX BY STEREO-PIV 1)

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.     

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。     

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.      

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论.通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中.对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制.虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能,特别是近水面航行时,自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证;随后,用验证后的模型试验方法对...     

钝体尾流控制机理及方法研究进展

首先从涡脱落生成理论出发对钝体尾流控制方法进行了分类,并简单介绍了国内尾流控制研究情况. 之后介绍了我们用窄条或小方柱取代小圆柱后,对Strykowsky和Sreenivasan 控制方法的改进及其在高雷诺数下对圆柱和方柱尾流涡脱落的有效抑制情况, 并探讨了控制件钝度对抑制效果的影响.第3部分用实验数据对各个涡脱落生成模型做了分析与检验, 指出控制件方法的机理与改变钝体分离位置、减小钝体背压吸力、改变流动的展向相关性、 防止钝体两侧剪切层相互作用等无关,而与钝体近尾流速度剖面的局部修正及其稳定性的改变有关. 最后简单介绍了控制件方法今后研究工作展望及其工程应用前景.     

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上，进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程，展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况，对大涡模拟得到的数值结果进行了统计，得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。     

A visual study on complex flow structures and flow breakdown in a boundary layer transition

A visualization study is conducted on the excited laminar-turbulent transition within a flat plate boundary layer flow in a water tunnel. The hydrogen bubble technique is employed to investigate the complex characteristics of the flow structure and its breakdown in the later stages of the transition. A new flow structure is observed, which involves two secondary hairpin vortices outboard of both legs of a primary hairpin vortex. This complex structure is argued to be a precursor of a turbulent spot in this K-type transition. Also reported in the paper is the evolution of the flow structure and its subsequent breakdown, manifested by the emergence of dark spots, low-speed fluid bumps, and near-wall hairpin vortex groups. The results indicate that the near-wall flow breakdown is the result of instability of a local three-dimensional high-shear layer between the low-speed fluid bump and the outer higher-speed region.     

轴对称钝物体的尾涡结构

本文对于圆球和70°角斜切尾钝头旋成体的尾涡结构作了流态显示和部分热线测量,流态显示结果表明,这类钝物体尾迹中的三维尾涡结构均呈现为一列相互锁定的“涡链”状结构,每一个涡元素自身并不闭合,呈“发卡”形,并与后继的涡相连接,对于70°斜切尾钝头旋成体模型,由于其斜切尾有固定三维尾涡面卷起和脱落方位的作用,故呈现出规则的三维尾涡结构。而圆球模型,由于涡面卷起和涡脱落的方位是随机旋转的,因此“涡链”呈现为被任意扭曲的千姿百态,流态照片各不相同,圆球尾迹的这种既有周期性又有随机旋转的特性,在热线测量的结果中也有所反映。     

螺旋桨梢涡不稳定性机理与演化模型研究

螺旋桨尾流场的涡流特性是一个基础但又十分复杂的流体力学问题, 它的复杂性源于其蕴含复杂的漩涡系统, 且该漩涡系统会在高速的剪切层流动中不断演化, 其流体动力学行为, 如由稳定态演变为不稳定态的机理以及复杂工况环境中的流动现象, 一直是流体力学领域的难点和备受关注的热点问题. 从工程应用的角度看, 桨后梢涡的演化特性与船舶结构物的宏观特性直接相关, 更好地理解多工况下螺旋桨尾流的动力学特性, 将有助于改善与振动、噪声以及结构问题等相关的推进器性能, 对综合性能优良的下一代螺旋桨的设计和优化有着重要的现实意义. 本文基于延迟分离涡模拟、大涡模拟和无湍流模型模拟方法以及粒子图像测速流场测试分别开展了螺旋桨尾流动力学特性的数值与试验研究, 对螺旋桨尾流不稳定性的触发机理进行了揭示. 基于均匀来流中螺旋桨梢涡的演化机理, 提出了螺旋桨梢涡演化模型. 该模型能够较为准确地模拟螺旋桨梢涡的演化过程, 预测螺旋桨梢涡融合的时间和位置, 对螺旋桨流噪声预报和控制以及性能优良的螺旋桨设计具有重要意义.      

Wake structures behind an oscillating bubble rising close to a vertical wall

In the present study, the wake structures behind an oscillating (zigzagging in a plane) air bubble, rising in a close vicinity of a vertical wall are experimentally investigated using a high-speed two-phase particle image velocimetry. While varying the distance between the rising bubble and the wall, the spatial and temporal variations in the spanwise and streamwise vorticity components contained in the wake vortices, in addition to the bubble trajectory, are measured in a tank filled with water. In particular, the Lagrangian streamwise vorticity fields in the bubble wake have been reconstructed and investigated in detail with different conditions. Without the wall, it is confirmed that there exist counter-rotating streamwise vortex tubes in the bubble wake, agreeing with the case of a two-dimensional zigzagging bubble, as reported in the literatures. It is also found that the hairpin vortex chain structures, initially attached to the bubble rear, evolve to detached vortex ring structures as the bubble rises in an oscillating path. While the detailed vortex structures show up quite differently from the reference case depending on the distance to the wall (e.g., actual bubble-wall collision), in general the wake behind the bubble as it moves toward and away from the wall can be summarized as: (i) transition to the detached vortex ring structures is accelerated; (ii) streamwise length of vortex tubes is shortened (evolution is interfered); (iii) counter-rotating vortex tubes approaching the wall tend to slightly bounce off and slide away (being dissipated fast) from each other on the wall; and (iv) boundary-layer like secondary flow structures are induced on the wall due to additional viscous effects. These wall-induced wake modification indicates that more fluid energy is wasted due to the wall interference, rather than being used to force the lateral movement of the bubble, which agrees with the reduced amplitude and wavelength of the oscillating bubble path on the wall. Finally, this explanation has been further confirmed by estimating the vortex-induced lateral forces acting on the bubble for each case.     

Evolution of a vortex street in the far wake of a cylinder

The evolution of a primary vortex street shed from a circular cylinder in the far wake is experimentally examined for 70 R 154 (R is the Reynolds number). According to the vorticity fields obtained using digital image processing for visualized flow fields, the primary vortex street breaks down into a nearly parallel shear flow of Gaussian profile at a certain downstream distance, before a secondary vortex street of larger scale appears further downstream. The process leading to the nearly parallel flow can be explained as the evolution of the vortex regions of an inviscid fluid if we invoke the observation that the distance between the two rows in the primary vortex street increases with the downstream distance, although the viscous effect probably contributes to this increase. Numerical computations with the discrete vortex method also support this explanation. The wavelengths and speeds of the primary and secondary vortex street are also measured.     

横向紊动射流的数值与实验研究进展

横向紊动射流作为流体运动的一种重要类型,广泛存在于如: 燃气轮机气膜冷却、锅炉燃烧室等的燃烧控制, V/STOL(垂直或短距离起落)飞机、废气排放的控制等工程实际应用中.由于射流的存在,增加了流场的复杂性,流场中同时存在射流剪切层涡、马蹄形涡系、反向旋涡对和尾迹涡等4种涡系结构,这对流体力学理论研究具有重要意义.长期以来,研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对横向紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理.从数值模拟和实验研究两个方面,比较并分析了国内外横向紊动射流研究的现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同的实验测量方法对横向紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望.      

Numerical study on wake characteristics of high-speed trains

Intensive turbulence exists in the wakes of high speed trains, and the aerodynamic performance of the trailing car could deteriorate rapidly due to complicated features of the vortices in the wake zone. As a result, the safety and amenity of high speed trains would face a great challenge. This paper considers mainly the mechanism of vortex formation and evolution in the train flow field. A real CRH2 model is studied, with a leading car, a middle car and a trailing car included. Different running speeds and cross wind conditions are considered, and the approaches of un- steady Reynold-averaged Navier-Stokes （URANS） and de- tached eddy simulation （DES） are utilized, respectively. Re- suits reveal that DES has better capability of capturing small eddies compared to URANS. However, for large eddies, the effects of two approaches are almost the same. In conditions without cross winds, two large vortex streets stretch from the train nose and interact strongly with each other in the wake zone. With the reinforcement of the ground, a complicated wake vortex system generates and becomes strengthened as the running speed increases. However, the locations of flow separations on the train surface and the separation mechanism keep unchanged. In conditions with cross winds, three large vortices develop along the leeward side of the train, among which the weakest one has no obvious influence on the wake flow while the other two stretch to the tail of the train and combine with the helical vortices in the train wake. Thus, optimization of the aerodynamic performance of the trailing car should be aiming at reducing the intensity of the wake vortex system.     

FEEDBACK CONTROL OF VORTEX SHEDDING FROM A CIRCULAR CYLINDER BY ROTATIONAL OSCILLATIONS

The present paper describes a new active method for controlling vortex shedding from a circular cylinder in a uniform flow at medium Reynolds numbers. It uses rotary cylinder oscillations controlled by the feedback signal of a reference velocity in the cylinder wake. The effectiveness of this feedback control is evaluated by measuring the response of mean and fluctuating velocities in the cylinder wake, the spanwise correlation, the power spectrum, and the fluid forces acting on the cylinder. It is found that the velocity fluctuations and the fluid forces are both reduced by the feedback control with optimum values of the phase lag and feedback gain. The simultaneous flow visualization synchronized with the cylinder oscillation indicates the attenuation as well as the mechanisms of vortex shedding under the feedback control, which is due to the dynamic effect of cylinder oscillation on the vortex formation.