低雷诺数条件下低压涡轮气动设计

本文针对低雷诺数条件下低压涡轮效率较低的问题,提出了设计过程中应如何考虑雷诺数影响的思路,给出了适应低雷诺数环境下工作的叶片表面负荷分布形式,并进行了低压涡轮的气动设计。三维粘性计算的结果表明,应用本文所提出的负荷分布形式,能够有效的控制涡轮边界层的分离,降低气动性能对雷诺数的敏感程度,从而使得低压涡轮在高空低雷诺数条件下仍能保持较好的性能。     

某超高负荷低压涡轮叶型气动性能分析

针对某系列Zweifel数约为1.6的超高负荷低压涡轮叶型,分别对其在定常来流条件下、上游尾迹扫掠条件下的二维流动开展了数值研究.计算结果表明,在低雷诺数、低湍流度工作环境下,叶片吸力面存在较大层流分离,且前加载叶型二维气动性能优于后加载叶型.同时,上游尾迹扫掠对超高负荷低压涡轮叶型分离流动控制作用有限,需引入新的流动控制方法.研究结果对超高负荷低压涡轮设计有较好的启示.     

低雷诺数下周期性尾迹／层流分离泡相互作用的大涡模拟

本文采用大涡模拟(LES)方法,对低雷诺数条件下周期性尾迹/层流分离泡的相互作用进行了数值模拟.计算域入口尾迹采用独立计算的平面尾迹流给出.对周期性尾迹作用下的层流分离泡进行了统计特性及瞬态流场分析,并与相同条件下的无尾迹流动进行比较.计算结果表明:在尾迹作用下,时均层流分离泡长度明显缩短,分离泡变小;相位平均的分离点/再附点随时间不断变化;从瞬态结果容易看出,尾迹诱导的流向涡结构是导致分离泡提前转捩的主要原因.     

微尺度涡流发生器尾迹涡的发展及其对激波边界层干涉的控制

采用数值模拟的方法研究了超音速流动中斜坡型、双排斜坡型和分裂斜坡型三种不同微尺度涡流发生器诱导的尾迹涡耗散过程和发展轨迹,并对比分析了不同结构涡流发生器布置对激波边界层干涉的控制作用效果。研究结果表明,研究的三种涡流发生器结构诱导的逆旋涡之间具有相互弱化作用。双排斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化作用最强,斜坡型涡流发生器次之,分裂斜坡型涡流发生器诱导的逆旋涡之间的弱化趋势最弱,涡量更易在下游边界层中得到保持。涡流发生器产生的逆旋涡在互相诱导的作用下逐渐向远离壁面边界层的方向移动,分裂斜坡型和双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的运动轨迹均较斜坡型涡流发生器的尾迹涡更为平缓。双排斜坡型涡流发生器的尾迹涡远离壁面的趋势更显著弱于分裂斜坡型涡流发生器,有利于保持尾迹涡在边界层内部,提升边界层的抗分离能力。在两种因素综合作用下,双排斜坡型涡流发生器对激波边界层相互作用具有最优的控制效果,分裂斜坡型涡流发生器的控制效果次之。     

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

绕圆柱体自由表面磁流体流动和传热的研究

本文对在不同雷诺数下,绕圆柱体的磁流体自由表面流动及传热进行了模拟,分析了磁场对绕流圆柱尾迹和涡分离的影响,获得了两种雷诺数下的电磁力密度、流场和温度场分布。结果表明,磁场不仅影响了流动的形态,而且对湍流有抑制作用,降低了自由表面的更新机制,从而减少了传热能力;在相同的Hartmann数下,相比低雷诺数下的流动换热情况,高雷诺数下的湍流不能被完全抑制,自由表面与尾迹的相互作用也较强,因而自由表面换热也较强。     

串列平板叶栅尾迹速度场的LDA实验研究

绕流叶栅的尾涡脱落是诱发水力机械振动噪声的重要因素。本文以串列布置平板叶栅为研究对象,进行雷诺数Re=5000与10000下的叶栅绕流尾迹速度场的LDA测量实验,分析不同雷诺数下绕叶栅流场速度分布,探究涡脱频率特性。实验结果表明:同一雷诺数下平板尾迹区中心线上速度分布可分为回流区、快速增长区、缓慢增长区三个区域;双平板绕流场,下游平板的存在明显抑制了上游平板尾迹的发展,与单平板模型比回流区流向长度减小;雷诺数从5000增大到10000时,平板尾迹回流区的流向长度变小,但最低流速分布升高;下游平板的存在抑制了上游平板的涡脱,使其频率降低,上、下游平板涡脱频率一致。     

串列平板叶栅尾迹速度场的LDA实验研究

绕流叶栅的尾涡脱落是诱发水力机械振动噪声的重要因素。本文以串列布置平板叶栅为研究对象,进行雷诺数Re=5000与10000下的叶栅绕流尾迹速度场的LDA测量实验,分析不同雷诺数下绕叶栅流场速度分布,探究涡脱频率特性。实验结果表明:同一雷诺数下平板尾迹区中心线上速度分布可分为回流区、快速增长区、缓慢增长区三个区域;双平板绕流场中下游平板的存在明显抑制了上游平板尾迹的发展,与单平板模型相比回流区流向长度减小;雷诺数从5000增大到10000时,平板尾迹回流区的流向长度变小,但最低流速分布升高;下游平板的存在抑制了上游平板的涡脱,使其频率降低,上、下游平板涡脱频率一致。     

雷诺数对涡轮叶栅流动的影响

本文利用数值模拟手段模拟了涡轮叶栅内部三维流动,分析了雷诺数对涡轮叶栅内部流动图画的影响。结果表明在低于自模化雷诺数条件下,雷诺数的降低将对涡轮叶栅吸力面边界层的发展产生严重的不利影响。雷诺数降低至一定程度,将导致吸力面出现严重的分离,端部二次流流动相应加剧,使低雷诺数情况下涡轮叶栅性能恶化,在设计中应予充分重视。     

高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

低Reynolds数翼型绕流主动控制技术

在低Reynolds数条件下，翼型绕流的上表面边界层由于抗逆压梯度能力变差容易发生流动分离，从而形成长层流分离泡.分离泡通常是非定常的，会诱发边界层的转捩、再附并形成湍流边界层.这个过程会使翼型的气动性能急剧下降，并伴随着强非线性效应.转捩后形成的湍流边界层也会产生高摩擦阻力.针对这种现象，文章以NACA0012翼型为例，通过隐式大涡模拟研究了有效的主动控制方案.为了统一分离控制技术和湍流边界层减阻技术，研究了在平板或槽道湍流中取得较好控制效果的壁面垂向反向控制方案.首先利用隐式大涡模拟研究了低Reynolds数条件下NACA0012翼型绕流的流场特征.其次分析并验证了反向控制方案在分离区控制流场的可行性，发现反向控制在分离区的作用相当于基于流场信息的壁面抽吸控制，且控制具有实时性和高效性，控制抽吸了前缘的低能流体，使得翼型前缘附面层变薄，并增强了其抗逆压梯度的能力，较大程度提高了翼型的气动性能.最后在湍流边界层验证了其减阻控制效果，发现反向控制阻断了流向涡的法向输运，抑制了涡结构的发展，并减弱了猝发过程，使得湍流的高摩阻力得到了有效降低.      

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.     

Experimental investigation on laminar separation control for flow over a two-dimensional bump

The laminar boundary layer separation flow over a two-dimensional bump controlled by synthetic jets is experimentally investigated in a water channel with hydrogen-bubble visualisation and particle image velocimetry (PIV) techniques. The two-dimensional synthetic jet is applied near the separation point. Two Reynolds numbers (Re = 700 and 1120) based on the bump height and free-stream velocity are adopted in this experiment, and seven different excitation frequencies at each Reynolds number are considered, focusing on the separation control as well as the vortex dynamics. The experimental results show that the optimal control can only be achieved within some excitation frequencies at both Reynolds numbers. However, beyond this range, further increasing the excitation frequency leads to an increase in the separation region. The proper orthogonal decomposition (POD) technique and vortex identification by swirling strength (Λ_ci) are applied for the deeper analysis of the separated flow. The reconstructed Λ_ci field by the first four POD modes is used and vortex lock-on phenomenon is observed. It is found that the negative synthetic jet vortex with clockwise rotation draws the separated wake shear layer as it is convected downstream, and then they syncretise together. Thus, the new vortex is induced and shedding downstream periodically.     

Visualization study on vortex structure over an airfoil using planar laser induced fluorescence

Abstract

The research discussed the application of planar laser-induced fluorescence technique for visualizing the flow over an airfoil at different Reynolds numbers and angles of attack. The proposed arrangement allows visualizing the development process of the flow field structure around the airfoil. The focus of the study is the influence of the angles of attack and the Reynolds number on the separation boundary layer, which causes the wake vortex or separation bubble. Compared with the traditional visualization technology, the technology of planar laser-induced fluorescence has better time resolution (50?ns) and followability (Reynolds number?=?219,500). In order to achieve high-speed flow field visualization, planar laser-induced fluorescence provides a reliable means of measurement to solve the related engineering problems.     

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

为了研究局部凸起对边界层转捩的影响,采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响,对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明:当来流Reynolds数处于临界区时,气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡,之后随着θ的增大,发生了流动分离和流动转捩现象;对于不同Reynolds数下的来流,圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前;圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低,从而导致圆柱产生升力,随着来流Reynolds数的增大,其升力逐渐变大.      

基于涡流发生器的风洞试验段附面层控制数值模拟

沿试验段侧壁发展的附面层是影响飞行器半模型实验数据精准度的主要因素之一.利用数值模拟方法验证了涡流发生器减小附面层影响的可行性，重点分析了安装角度、结构尺寸、安装位置及个数等设计参数对附面层内速度分布的影响规律，对涡流发生器尾涡强度以及沿流向的发展规律进行了初步探讨.结果表明，涡流发生器产生的尾涡能够有效改善附面层内的速度分布，进而减小附面层厚度，降低附面层影响；涡流发生器的后缘应略高于当地附面层厚度，安装角度、位置、个数等参数必须合理设计以减小涡流发生器对试验段主气流的影响.基于计算结果初步设计了可用于2.4 m跨声速风洞半模试验段的涡流发生器，在亚声速范围内能够减小模型区侧壁附面层厚度66%左右，对核心流Mach数影响小于0.003，为涡流发生器的实际应用提供了依据.      

Wake-boundary layer interaction behind an elliptic cylinder at different Reynolds numbers

In this paper, hot-wire anemometry (HWA) is used to experimentally investigate interactions between a fully developed turbulent boundary layer and wake of an elliptic cylinder where axis ratio (AR) of the cylinder is 2. The elliptic cylinder was located inside and outside a turbulent boundary layer with a thickness (δ) of 0.38B. Furthermore, experiments were conducted at different Reynolds numbers (13,250 and 26,500) based upon the smallest cylinder diameter (B). Mean velocity, turbulence intensity and higher-order central moments of velocity signals (i.e. skewness and flatness) measurements were performed using HWA upon wake-boundary layer interactions on a flat plate. Results showed that profiles of stream-wise mean velocity and turbulence intensity were greatly dependent on gap ratio (G/B) and Reynolds number (Re) in near-wake region. It was also observed that, except for G/B = 0.1, the wake-boundary layer interactions were faster at Reynolds number of 26,500 rather than 13,250. The interactions occurred earlier upon fluctuating the velocity rather than the case where a fixed mean velocity was considered. The results further show that an increase in the gap ratio increases Strouhal number almost independent of δ/B. Behind the cylinder, relatively smaller wake region was obtained at Re = 26,500 rather than Re = 13,250, where the velocity profiles quickly converged to the flat plate boundary layer velocity profiles.     

声波作用下球形颗粒外声流分布的数值模拟

综合考虑声学边界层内的热损失和黏性损失,建立处于平面驻波声压波节位置二维球形颗粒外声流计算模型,利用分离时间尺度的数值方法对颗粒外声流流场特征进行模拟。将模拟结果与相应的解析解和实验结果对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,研究了雷诺数Re和斯特劳哈尔数Sr对球形颗粒声学边界层内二阶声流流场结构、涡流强度及范围的影响规律。结果表明,随Sr和Re增大,声学边界层内的涡流结构尺度呈指数形式减小,其涡流尺度与颗粒直径D和激励频率f成反比,与流体介质运动黏度v成正比;且满足低Sr和高Re的声振系统可形成范围较大、更强烈的声流运动。该数值方法可用于对任意物理模型外声流特性的评估。