非定常激励抑制轴流叶栅分离的数值分析

本文对大转角压气机叶栅大攻角工况在来流尾迹非定常激励作用下的时空结构进行了数值分析.合理的非定常激励明显提升了叶栅的时均性能,与激励频率对应的涡结构得到强化,其它频率的杂涡被卷吸,无序的吸力面分离流结构变得有序.文中分析了周期性来流尾迹控制分离结构的作用机理,波涡共振促进涡的卷起和配对;湍动能强化动量交换.基于此,比较了两种来流尾迹模式下分离结构对来流周期性的响应问题.另外,针对管道风扇引起的远场噪声,在来流尾迹非定常激励作用下对其降低的可能性进行了设想.     

飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析

基于非结构/混合网格、耗散自适应2阶混合格式以及脱体涡模拟（detached eddy simulation,DES）方法开展了现代战斗机模型复杂分离流动的数值模拟,并与有限的平均气动力试验数据进行了对比,结果表明计算具有合理性,在此基础上进一步应用本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）和动力学模态分解（dynamic mode decomposition,DMD）方法对数值模拟流场的非定常特性进行了对比分析.研究表明飞行器背风区流场由一对边条涡的螺旋运动主导,旋涡破裂前在横向空间截面上流场是中性稳定的,同时主涡核的运动是多频耦合的.POD和DMD的对比分析则表明:两者模态配对的方式不同,但主要模态之间具有一定相关性;POD模态中包含多种频率的运动,而且能量较集中于主模态,流场重构效率更高;DMD则将流场的主要特征运动提取为一些单频模态的组合,同时能够给出模态的稳定性.      

旋翼尾流时空发展二维速度场的实验研究

旋翼作为直升机的主要升力和操纵部件, 具有复杂的流场结构, 如非定常性, 桨-涡干扰和桨尖涡等, 导致旋翼流场研究十分困难. 针对这一问题, 结合锁相技术和粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术开展了悬停状态下旋翼流场的实验研究, 并通过本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)提取主要含能模态, 刻画流场时空演化. 结果显示, 旋翼尾流发展过程中向旋转轴靠近, 二维流场结构呈现倒三角结构, 即扩展到三维流动中会呈现倒锥型结构的特性; 通过POD进行含能模态分析, 旋翼尾流中对湍动能贡献最大的为桨叶涡结构, 其次是桨尖涡结构.      

基于POD方法开缝圆柱绕流流场的研究

利用粒子成像测速技术（particle image velocimetry,PIV）,在水槽中探究缝隙对圆柱流场结构的影响,应用频谱分析和本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法,研究了开缝圆柱流场相干结构.实验Reynolds数范围内,缝隙的"吹吸"作用从根本上改变了圆柱绕流近区尾流结构,前6阶模态形态是流场中最主要的相干结构.第1,2阶模态形态控制着圆柱绕流流场涡街相继脱落过程,1或2阶模态系数为尾迹涡的固有频率;第3,4阶模态形态控制着脱落旋涡沿流向方向能量运输;第5,6阶模态形态中的同向涡旋结构作用于旋涡缓慢脱离柱体这一过程,并对旋涡能量起着衰减作用.      

基于POD的受激励后向台阶分离流低阶模型

在对后向台阶流场进行合成射流激励并研究不同激励频率对流场发展影响的过程中,发现流场在低频激励条件下与中高频条件下表现完全不同.为了详细分析这一现象,使用本征正交分解法（proper orthogonal decomposition,POD）将由PIV方法测得的流速分布数据进行分解,采用相位平均手段对含湍流动能较大的主要模态间的关系进行分析,并使用主要模态对流场的主要运动形式进行还原.结果表明,流场在各条件下的主要运动形式均可用少量低阶模态加以基本概括,低频激励下低阶模态相图近似于Lissajous图形,并描述了剪切层在激励作用下的摆动过程.      

脉冲激励下超音速混合层涡结构的演化机理

采用大涡模拟方法对脉冲激励作用下的超音速混合层流场进行数值模拟,所得结果清晰展示了流场中涡结构的独特生长机理.基于涡核位置提取方法,对超音速混合层流场中涡结构的空间尺寸和瞬时对流速度等动态特性进行了定量计算.通过分析流场中涡结构的动态特性在不同频率脉冲激励下的变化,揭示出受脉冲激励超音速混合层流场中涡结构的演化机理:涡结构的生长不再是依靠相邻涡-涡结构之间的配对与融合,而是通过涡核外围的一串小涡旋结构被依次吸进涡核来实现,且受激励流场中各个涡结构的空间尺寸变化较小;流场中的涡结构数量与脉冲频率成正比例关系,而涡结构的空间尺寸与脉冲频率成反比例关系;涡结构的平均对流速度随脉冲频率的增大而减小.针对受脉冲激励超音速混合层,给出了能够表征涡结构特性与脉冲激励参数之间关系的方程式,即受激励流场中涡结构的平均对流速度与脉冲周期的乘积近似等于流场中涡结构的空间尺寸(涡结构平均直径).     

槽道流POD重构及湍流动能耗散率分析

采用二维粒子图像测速仪（2DPIV）对槽道内涡波流场进行实验研究,用POD技术对2DPIV瞬态速度矢量场进行主导模态重构,得到槽道内的平均流速和湍流动能分布;采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率分布进行计算.结果表明：重构流场表征了原始流场的主导结构,剔除了噪声等干扰信息;大涡PIV方法能有效地估算动能耗散率的分布;湍流动能在壁面附近较小,在接近槽道中心区域湍流动能越来越大,呈现出射流的特征;动能耗散率的峰值出现在壁面附近和槽道中心区域,动能耗散率随着远离壁面程度的增加先降低后逐渐增加直至达到峰值.     

非定常尾迹控制叶栅分离研究

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_shear和尾缘脱落涡频率f_shed,研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动等激励特征控制流动分离的效果。结果显示:特定外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,f_shed能同时影响分离区域和尾涡区域,f_shear只能作用于分离区域;尾迹从吸力面向压力面移动时,分离结构表现出对来流周期性更明显的响应;进口随机脉动对破坏K-H展向涡结构非常有效。     

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1#,4#,5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2#,3#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。     

基于Omega涡识别方法的离心泵内非定常流动数值评价

离心泵内部非定常流动与流场中生成的旋涡密切相关.本文采用Omega涡识别方法研究离心泵流场涡结构及非定常流动特性,阈值选择为0.51.分析得出LES湍流模型相对比其他两种湍流模型涡识别结果更为细致,对叶片流道中的小涡结构可以很好地捕捉.设计工况下,LES模型识别出的涡面积数值是DDES模型的1.15倍,是SSTk-ω模型的1.55倍.压力脉动受流场空间位置与工况影响较大,其主要激励为叶频,并且压力脉动强度与涡面积密切相关.叶轮出口处的涡结构周期性脱落,在隔舌处会撞击隔舌而破裂.离心泵动静干涉的产生与叶轮出口处的涡结构脱落有关.     

极点配置法弹性平板有源隔声系统优化

对混响声场中的弹性平板有源隔声系统进行优化。根据激励频率范围确定受控模态阶次,在模态空间中建立系统降阶方程,基于极点配置方法,采用分布式系统增加受控模态的阻尼,降低低频共振声传输。同时设计模态滤波器,为控制器提供所需的状态信息。为提高控制效能,本文对传感器和作动器布放位置进行优化,尝试不同极点配置方案,并对耦合控制与独立模态控制方法的隔声效果进行比较。仿真结果显示,极点配置法有源隔声可以有效降低共振声传输,优化布放和独立模态控制方式下,控制力明显降低。优化后的有源隔声系统效能有所提升。      

分散式速度反馈控制流激薄板声振响应的模态解及特性

采用模态展开法推导了湍流边界层和分散式速度反馈控制共同作用下薄板的响应和声辐射,给出了与分散式速度反馈控制增益系数、单元位置、数量和大小相关的模态阻尼的显示表达式。给定激励和参数的条件下,通过与元素法的计算结果进行对比,验证了模态展开法具有较高的计算效率和准确性。讨论了分散式速度反馈控制单元的布置方式和数量对模态阻尼的影响,以及反馈控制单元的布置方式对薄板动能、辐射声功率和模态平均辐射系数的影响。数值分析结果表明反馈控制单元的数量和布放位置对控制效果影响显著,反馈控制单元沿螺旋线布置能明显拓宽控制频带;两种反馈控制单元布置方式,在动能和辐射声功率控制较好的共振频率处,除第一阶模态外,模态平均声辐射效率随反馈增益的增大明显提高。     

跨音速轴流风扇转子叶顶泄漏流的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同间隙,不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征,发现在研究的三个间隙中,只有当间隙大于或等于设计间隙时,流动才会出现非定常性.随着流量的减小,泄漏涡轨迹前移,当泄漏涡轨迹到达相邻叶片压力面时,影响压力面压力分布,打破流场静态平衡,引起叶顶流场及激波位置、强度发生非定常波动.     

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

风轮结构动力学参数优化改进方法研究

提出三种风轮结构动力学性能改进方法,在风轮实际挂机安装条件下进行模态测试。研究发现:翼型加厚可有效提升风轮前三阶固有频率15%以上,但却会使风轮共振带拓宽;双夹板式叶片连接方式可使风轮1阶固有频率明显下降,但却使风轮2、3阶固有频率显著升高,且亦会使风轮共振带拓宽;沿叶展方向开槽和加肋提升风轮前三阶固有频率的程度相对较小,其对各阶反对称振动频率的提升效果较同阶对称振动频率提升效果显著,且不会造成风轮共振带的拓宽;翼型加厚和双夹板式叶片连接方式可实现风轮前三阶振动阻尼比呈较均匀稳定的下降;沿叶展方向开槽和加肋虽使风轮1阶反对称振动阻尼比增大,但随振动阶数升高,可使阻尼比一直保持稳定的下降趋势。     

近壁湍流的降阶模型及应用

由条带和流向涡的循环再生构成的近壁自维持过程(self-sustaining process, SSP)是壁湍流产生和维持的重要机制. 文章通过对最小槽道的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)获得近壁自维持过程的流场数据, 采用正规正交分解法(proper orthogonal decomposition, POD)对该数据进行分析, 获得了不同流向和展向尺度的特征模态, 通过将Navier-Stokes方程在这些模态上进行投影, 得到近壁自维持过程的降阶模型, 并采用DNS数据对降阶模型的预测能力进行了评价. 该模型被初步应用于大涡模拟近壁模型的构造.      

基于DDES模拟的叶顶间隙流湍流特性研究

叶顶间隙泄漏流使得叶片顶部流动变得复杂,对间隙泄漏流的流动结构进行精细地捕捉并探讨其湍流特性有利于更深入的了解间隙泄漏流的流动机理,为控制泄漏损失提供依据。本文利用延迟脱体涡模拟方法对叶顶间隙泄漏流动进行非定常数值模拟;然后从叶顶间隙流的流动涡结构演变,湍动能和各向异性等方面研究叶顶间隙流的湍流特性;利用POD模态分解的方法对湍流特性做进一步分析,对分流场的基本规律、演变特点进行了详细研究;最后结合熵生成率,对泄漏流流动结构造成的损失进行了分析。研究发现,泄漏流在下游区存在着强湍流特性,涡尺度受不同的雷诺应力影响,且大尺度流动结构造成主要的耗散损失。     

开孔结构流致噪声的数值模拟和机理分析

飞机机体表面的开孔设计会形成空腔结构,产生空腔流致噪声。空腔噪声的控制需要彻底认识其流动和噪声机理。以飞机的功能性开孔为例,通过半经验公式分析了其空腔噪声频率随速度的变化规律,预测了出现流声共振的工况。空腔发生流声共振时,特定频率的纯音噪声会被放大。为此,采用脱体涡模拟方法开展了开孔结构流声共振的三维非定常数值计算,分析了其流场和声场特性。其中,数值方法的准确性通过圆形空腔标模计算进行验证。结果表明,在一定速度下剪切层内的扰动将诱发空腔深度方向声模态,出现流声共振现象。此时,剪切层表现为强烈的周期性上下拍动,空腔底部和后缘区域的局部压力脉动幅值较大,声波主要由空腔后缘向上游方向辐射,上游噪声大于下游。     

波动翼非定常流场IB-LBM数值研究

经过亿万年自然选择, 鱼类进化出非凡高效的游动能力, 研究其游动机理, 对改善现有潜水器的性能具有重要指导意义.针对类鳗鱼游动问题, 采用浸入边界法-格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice-Boltzmann, IB-LBM)对三维波动翼进行1×108网格大规模数值模拟.在广州超算中心天河-2上模拟了不同振动幅度下正弦波动翼的非定常运动, 给出了流场涡系结构及其产生的非定常力, 清晰捕捉了仿生翼非定常涡系演化过程.仿真结果表明IB-LBM方法能在较大运动边界情况下保持算法稳定性, 也能在较大网格下高效运行.同时精细捕捉不可压非定常流场涡系结构细节, 是一种较为理想的仿生运动数值模拟方法.      

不同磁场构型下Richtmyer-Meshkov不稳定性的数值研究及动态模态分解

基于磁流体动力学,本文通过数值模拟对不同磁场构型下轻质气柱界面Richtmyer-Meshkov不稳定性的演化过程进行了研究.结果显示:磁场对波系演化影响甚微,但能抑制界面不稳定性发展,且横向磁场抑制效果更好.无磁场时,界面形成涡串, SF_6射流穿过下游界面;有磁场时,界面光滑无涡串.其中,横向磁场下界面更光滑, SF_6射流不再穿过界面.此外,由于Richtmyer-Meshkov不稳定性的作用,磁力线在气柱界面发生扭曲,且上游界面处磁力线扭曲程度更大,产生强洛伦兹力,使涡量分层明显;下游界面处,纵向磁场产生的洛伦兹力较横向磁场更小,涡层之间相互干扰.最后,本文将动态模态分解用于界面不稳定性研究,发现:磁场作用下界面仍存在小涡,且纵向磁场下扰动更多.第一模态的稳定涡结构能反映主要流场信息,第二到第四模态下的小涡频率依次增加,且无磁场、纵向和横向磁场的同一模态下,小涡频率依次减小.因而磁场能抑制小涡频率,且横向磁场抑制效果更好.