无缝襟翼吹气控制机理和地面效应分析

基于Coanda效应的无缝襟翼吹气控制能大幅度提升机翼升力, 改善大型运输类飞机起降性能, 因此研究起降阶段地面效应对吹气控制的影响十分必要。通过数值模拟方法, 从流场变化的角度分析了无缝襟翼吹气控制机理, 以及有/无襟翼吹气时地面效应对翼型气动性能的影响。襟翼吹气使Coanda表面产生局部低压区, 形成指向Coanda表面的压力梯度, 进而引起射流上方的主流偏转和加速, 使整个翼面近壁区产生顺时针方向的速度增量; 翼面压力面的压力增大, 吸力面的吸力增强, 其中主翼上翼面吸力增强是翼型升力增加的主要来源。无吹气时, 地面效应使翼型上/下翼面附近的流速均降低, 上/下翼面的压力均有所提高, 整体上使翼型升力降低。有地面效应时的襟翼吹气增强了下翼面对来流的阻滞作用, 进一步提高了下翼面的压力; 襟翼吹气使上翼面气流加速, 可抵消地面效应引起的上翼面气流减速, 一定程度上减小了地面效应引起的上翼面吸力损失。      

随机风况下襟翼闭环载荷控制的数值研究

柔性襟翼在减缓风力机叶片极限与疲劳载荷方面一直备受关注。为研究柔性襟翼在非稳定入流时的减载能力,以二维翼型S809为基础翼型,CFD计算获取的翼型升力为反馈信号,利用ANSYS Fluent 17.0及其用户自定义端口,建立了襟翼闭环载荷控制系统。研究了襟翼在来流随机变化时减缓翼型升力波动的效果,并分析了襟翼最大偏转速度与系统延迟时间对控制效果的影响。结果表明:襟翼控制后的翼型升力波动标准差减小了99%,进一步提高最大偏转速度后,仅在变化较急剧的峰值处略有区别;较大的延迟时间导致升力在波动方式与范围上都有别于无延迟与小延迟,不利于襟翼对载荷波动的减缓。     

波状前缘对风力机翼型失速性能影响数值分析

为研究仿生波状前缘对翼型失速性能的影响,本文采用S-A湍流模型,对风力机翼型NACA634-021(光滑前缘)以及对应的正弦波状前缘仿生翼型的绕流流场进行了数值模拟。结果表明,光滑翼型在20°攻角附近发生深度失速,升力系数骤然下降;而波状前缘仿生翼型有效改善了失速特性,升力系数变化较平稳,在大攻角下高于光滑翼型。通过流场分析发现光滑翼型失速前后升力系数骤然下降的主要原因在于前缘压力面和吸力面的压差大幅度下降,而仿生翼型改变了前缘的压力分布特性,进而改变了大攻角下的分离特性,促进流向涡对的产生和发展,使得凸峰附近保持附着流动,进而提高升力。     

浅议安培力与洛伦兹力

关于安培力与洛伦兹力,现行中专物理教材提到:“(磁场)作用在通电导线上的安培力,只不过是作用在运动电荷上的力(洛伦兹力)的宏观表现”.高级中学课本《物理》甲种本上说“安培力可以看成是这一段通电导体中所有定向运动的电荷所受洛伦兹力的总和”.那么定向运动的电子所受到的洛伦兹力是怎样成为载流导体的安培力的?本文就此问题谈谈自己的一点看法. 1 磁场中静止的载流导体如图所示的载流导体,电流强度为I,处在方向向左的匀强磁场B中,因为载流导体中每个定向运动的电子,都要受到一个洛伦兹力f_L的作用,其大小F_L=evB,方向沿 Z,这导致导体A侧出现负电荷的堆积,B侧出现正电荷的堆积,结果在载流导体上下两侧产生一个U_(BA)的电位差,形成一个沿 Z的横向电场E,故每个定向运动的电子受到一个沿—Z     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

风力机专用翼型的反设计

本文根据翼型表面压力分布对边界层的影响,分析翼型表面压力分布的特点,以XFOIL计算软件为设计平台,采用其中的混合反设计模块,通过合理改变翼型表面的速度分布来得到气动特性满意的翼型。所设计的翼型主要要求具有高的设计升力系数、高的最大升阻比、良好的前缘粗糙不敏感性及和缓的失速特性。在提高设计升力系数的同时限制最大升力系数,以减小两者的差值,减小叶片的极限载荷。经计算分析,采用反设计优化得到的翼型与DU翼型相比具有很好气动特性。     

基于壁面压力反馈的圆柱绕流减阻智能控制

针对经典圆柱绕流问题,采用深度强化学习方法,提出了基于壁面压力反馈的圆柱绕流减阻闭环主动控制方法,并比较分析了施加控制前后圆柱阻力系数、升力系数及流场的差异.控制系统中,以圆柱壁面上均匀分布的压力探针测得的信号作为反馈,利用多层感知机建立压强信号与吹/吸射流及控制效果的映射关系,即控制策略;通过在圆柱上下表面狭缝施加连续可调的吹/吸射流来进行主动控制.同时,利用深度强化学习中的近端策略优化方法,在大量的学习过程中对该控制策略进行不断调整和优化,以实现稳定减阻效果.在圆柱绕流流动环境搭建方面,采用格子Boltzmann方法建立与深度强化学习模型之间的交互式框架,模拟提取非定常流场条件下圆柱表面的压强信号,并计算实时调整吹/吸射流强度时圆柱表面升力、阻力数据,以评估所选控制策略的优劣.研究表明:雷诺数为100时,主动控制策略能减少约4.2%的圆柱阻力,同时减少约49%升力幅度;同时施加主动控制后圆柱的减阻效果与圆柱回流区长度呈现强相关趋势.此外,不同雷诺数下智能体习得的策略减阻效果不同,雷诺数为200和400时,该主动控制策略能依次减小圆柱阻力17.3%和31.6%.本研究可为后续开展基于...     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

700MHz单cell超导腔洛伦兹力失谐分析

着重论述了超导腔的洛伦兹力失谐,并对704MHz/β=0.45单cell纯铌超导腔进行了静态洛伦兹力失谐分析和动态洛伦兹力失谐分析,对增加其机械稳定性的方式方法进行了讨论和计算,给出了其相应的加固方案.     

风力机翼型尾缘襟翼动态特性分析

采用计算流体力学方法研究了带有运动尾缘襟翼的风力机翼型,考察了襟翼偏转角频率对翼型气动参数及非定常特性的影响。结果表明:多数情况下,翼型升力系数滞后于偏转角变化,且相位差随着角频率的增加先增大后减小;尾缘襟翼改变升力系数的能力随着角频率的增加而减小;以尾缘襟翼长度为特征尺度定义的襟翼折合频率可作为尾缘襟翼问题非定常特性的判断准则,当该折合频率大于或接近0.01时,流场具有明显的非定常特性。     

Flow pattern and lift evolution of hydrofoil with control of electro-magnetic forces

The initial responses and evolutions of the flow pattern and lift coefficient of a hydrofoil under the action of electro-magnetic (Lorentz) force have been studied experimentally and numerically, and trace particle methods are employed for them. With the introduction of BVF (boundary vortex flux), the quantitative relation among Lorentz forces, BVF and lifts is deduced. The influences of flow patterns on the hydrofoil lift coefficient have been discussed based on the BVF distribution, and the flow control mechanism of Lorentz force for a hydrofoil has been elucidated. Our results show that the flow pattern and lift of the hydrofoil vary periodically without any force. However, with the action of streamwise Lorentz forces, the separation point on the hydrofoil surface moves backward with a certain velocity, which makes the flow field steady finally. The streamwise Lorentz force raises the foil lift due to the increase of BVF intensity. On the other hand, Lorentz force also increases the hydrofoil surface pressure, which makes the lift decrease. However, the factor leading to the lift enhancement is determinant, therefore, the Lorentz force on the suction side can increase the lift, and the stronger the Lorentz force, the larger the lift enhancement. Our results also show that the localized Lorentz force can also both suppress the flow separation and increase the hydrofoil lift coefficient, furthermore, the Lorentz force located on the tail acts better than that located on the front.     

Mechanism of controlling turbulent channel flow with the effect of spanwise Lorentz force distribution

A direct numerical simulation(DNS) is performed to investigate the control effect and mechanism of turbulent channel flow with the distribution of spanwise Lorentz force. A sinusoidal distribution of constant spanwise Lorentz force is selected, of which the control effects, such as flow characters, mean Reynolds stress, and drag reductions, at different parameters of amplitude A and wave number k_x are discussed. The results indicate that the control effects vary with the parameter A and k_x. With the increase of A, the drag reduction rate D_r first increases and then decreases rapidly at low k_x,and slowly at high k_x. The low drag reduction(or even drag increase) is due to a weak suppression or even the enhancements of the random velocity fluctuation and mean Reynolds stress. The efficient drag reduction is due to the quasi-streamwise vortex structure induced by Lorentz force, which contributes to suppressing the random velocity fluctuation and mean Reynolds stress, and the negative vorticity improves the distribution of streamwise velocity. Therefore, the optimal control effect with a drag reduction of up to 58% can be obtained.     

水翼表面粗糙带对空化抑制效果的数值研究

为研究水翼表面粗糙带对空化的抑制效果,在修改的NACA16翼型吸力面施加一粗糙带,对在不同粗糙带条件下翼型的水动力学特性和周围流场进行了数值模拟研究,得到了升阻力系数、吸力面最小压力系数和近壁面湍动能随粗糙带变化的趋势,探讨了水翼表面粗糙带对抑制表面空化的效果。结果表明,随着粗糙带宽度和高度的增大,翼型周围流场的压强显著升高并使吸力面的最低压力高于饱和蒸汽压,从而延缓了初生空化的发生。该结果为认识粗糙带对水翼抗空蚀性能的影响提供了参考。     

基于直角网格法的单个和阵列布置下柔性水翼绕流数值模拟

研究柔性水翼在不可压缩流体中的水动力特性,对于船舵和减摇鳍等海洋结构物的设计和性能优化具有重要意义.本文将自主开发的径向基函数虚拟网格法求解器扩展到模拟绕单个或多个柔性水翼的不可压缩流动问题.数值模型基于虚拟网格有限差分法考虑浸入边界对流场的影响,引入紧支径向基函数(compact supported radial basis function,CSRBF)以物面Lagrangian质点追踪复杂的柔性动边界.基于该方法,首先模拟了均匀流中主动拍动的柔性水翼,升阻力系数良好的网格收敛性结果验证了本文方法的精度和可靠性.并研究了柔性水翼在不同振荡频率下的水动力特性,阐述了柔性水翼的推力生成机制.然后模拟了绕阵列布置柔性水翼的流动现象,研究了不同间距和不同振荡频率下水翼表面的升阻力系数变化规律和尾涡特性,观察到紧密布置的柔性水翼在高频振荡下推力系数存在显著的放大效应,同时推力为零时的临界频率提前.     

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力)，可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法，对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明，对于一定攻角的翼型，电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时，可以抑制分离，消除涡街，其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时，可在流场中形成大涡组成的涡街，增强流体的混合能力，其效果与增大攻角类似.     

翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力),可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法,对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明,对于一定攻角的翼型,电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时,可以抑制分离,消除涡街,其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时,可在流场中形成大涡组成的涡街,增强流体的混合能力,其效果与增大攻角类似. 关键词： 电磁力 翼型绕流 流体控制     

Drag reduction in turbulent channel flow using bidirectional wavy Lorentz force

Turbulent control and drag reduction in a channel flow via a bidirectional traveling wave induced by spanwise oscillating Lorentz force have been investigated in the paper. The results based on the direct numerical simulation (DNS) indicate that the bidirectional wavy Lorentz force with appropriate control parameters can result in a regular decline of near-wall streaks and vortex structures with respect to the flow direction, leading to the effective suppression of turbulence generation and significant reduction in skin-friction drag. In addition, experiments are carried out in a water tunnel via electro-magnetic (EM) actuators designed to produce the bidirectional traveling wave excitation as described in calculations. As a result, the actual substantial drag reduction is realized successfully in these experiments.