高雷诺数双螺旋涡尾迹演化特性分析

螺旋状尾迹涡是直升机悬停旋翼流场的主导特征之一,其时空演化特性对旋翼气动性能具有重要影响.为了揭示悬停状态下旋翼尾迹涡的演化特征,对两桨叶刚性旋翼在高雷诺数悬停状态下的双螺旋状尾迹涡开展数值研究,采用基于流场特征的网格自适应技术,结合低耗散迎风/中心混合格式以及延迟脱体涡模拟方法对Caradonna-Tung旋翼在桨尖马赫数为0.439、桨尖雷诺数为1.92×10~6的悬停流场进行了高分辨率计算.基于欧拉和拉格朗日两种描述方法对计算结果进行了分析,揭示了双螺旋尾涡系统的演化特性:后缘尾涡面在桨尖附近的反向卷起及其与下游桨尖涡的相互作用是影响涡系稳定性以及涡-涡相互作用的重要因素;涡龄小于720°时,在固连于桨叶上的旋转坐标系中观察,涡系具有时空稳定性,涡管中心处轴向涡量随涡龄按照幂函数规律衰减.在固连于漩涡中心的局部极坐标系中,周向速度分布以及涡核半径随涡龄的变化与理论涡模型相符合,环量随涡龄的变化显示了漩涡的生长、平衡及耗散等演化阶段;模态分析结果表明,除点涡模态外,来流与点涡的复合模态在漩涡演化过程中对流动特征的转变有重要影响;涡系轴截面速度场的拉格朗日拟序结构直观地显示了漩涡场的时空演化过程,揭示了漩涡配对和共旋穿越等流动特征,同时也展示了后缘尾涡面卷起现象在漩涡演化过程中的作用.     

科里奥利质量流量计灵敏度的理论分析

文章作者出于简化推导目的，特为U形管结构的科里奥利质量流量计算提出了一个等质量的П形管模型，并运用科里奥利力的原理对该模型所产生的陀螺运动（振动中摆动）进行图解，结合悬臂梁的弹性形变理论最终得到了关键参数和灵敏度的定量计算公式，其结果获得了国内外同类产品的实例测试验证。     

不同压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场演化的实验研究

采用粒子图像测速技术, 获得了不同环境压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场启动涡随时间的演化规律和诱导流场分布的变化规律. 实验表明: 不同环境压力下, 诱导流场都会出现启动涡, 压力较高, 启动涡逐渐向右即向植入电极一侧扩散并最终消失, 扩散速度随时间递减, 压力较小, 诱导漩涡不会随放电时间的增大而消失; 环境压力减小, 等离子体诱导流场的启动时间减小, 诱导流场的法向分量增强、横向分量减弱, 诱导流线形状的变化规律是:L→U→V, L 型流线没有诱导漩涡, U 型流线有两个诱导旋涡, 分别分布在U 型凹槽和右侧, V 型流线有一个诱导漩涡, 分布在V 中间. 关键词： 介质阻挡放电 诱导流场 启动涡 演化     

海洋涡旋的模拟及PIV测量

根据流体力学的黏性力理论,结合磁的库仑定律,利用磁相互作用带动搅拌子旋转形成稳定、可控的漩涡,通过滑台装置可精准地控制涡旋位置的移动,实现海洋涡旋的模拟。采用PIV技术对涡旋流场进行任意截面的分层测量,利用MATLAB软件进行数据处理和分析,即可全方位得到涡量、流速等流场信息,进而探究海洋涡旋的形成机理及其运动特性。     

弱激波冲击无膜重气柱和气帘界面的实验研究

研制了一个改进的激波管设备,对马赫数为1.2的弱激波冲击作用下空气中SF6气柱和气帘界面的演变过程进行了初步的实验研究。通过设计激波管实验段、烟雾发生器、气体箱、进气吸气系统和激波管尾段,控制混合气体中SF6的峰值浓度和初始气流速度,建立了稳定、可重复的无膜气柱和气帘初始界面形成技术。利用高速摄影技术,在水平面内观测了气柱和气帘的初始界面图像,沿垂直方向观测了界面RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性的演变过程。气柱演变图像显示了典型的对涡结构,气帘演变图像显示了早期的多蘑菇形结构和后期的相邻波长干扰效应。图像后处理表明,气柱的高度和宽度、气帘的宽度均随时间单调增加,且宽度比高度增加快得多。从二维涡量动力学方程出发,对图像中涡的演变过程进行了初步解释。     

涡环发展及其与气泡相互作用的数值模拟

本文发展了三维离散涡模型用于模拟无粘不可压缩涡环的发展及其与气泡的相互作用,涡环被离散为平均分布在其中心线上的球形涡元,由Biot-Sarvart定律叠加每个涡元的诱导速度得到涡环的运动速度.涡环横截面上的涡量分布由二阶高斯分布来近似,而涡环随时间的演化则采用具有二阶精度的预测-校正算法.利用本文发展的三维离散涡模型,首先对圆涡环的发展进行了模拟,运动速度同理论解对比非常吻合,验证了模型的有效性.随后分别模拟了不同强度、不同核径比、不同长短轴比单个椭圆涡环的运动,成功再现了椭圆涡环的长短轴交替互换等现象,得到了不同工况下椭圆涡环随时间发展和演化的定性规律.最后本文将三维离散涡法与气泡运动方程相耦合,对涡环和气泡的相互作用进行了模拟,得到的气泡运动轨迹结果与实验结果非常一致,说明本文提出的三维涡模型可以推广到三维两相的情形.     

矩形射流流动和燃烧中拟序结构的实验研究

对2:1的矩形喷口射流流动和燃烧过程进行了系列实验,展示了拟序结构的演化过程以及射流近场间歇产生的 圆环内接矩形和触角形结构,这些结构的形成与大涡的演变存在密切相关;流动和燃烧的实验结果都表明副平面内的射流 扩展角度大于主平面。副平面内大涡的运动会拉伸或压缩火焰锋面,并在局部区域形成火焰面的“孤岛”结构。     

扩压叶栅出口近端壁区域流动结构和紊流特性

用三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅出口近端壁区域的流动结构和紊流特性。实验结果表明,气流流出扩压叶栅出口后,吸力面和压力面的通道涡将在较长的距离内保持其形态和强度,但是尾迹的形成及尾迹在压力的作用下向吸力面方向的偏斜成为了这一阶段的主要流动现象。通道涡、尾迹和尾迹的运动对亲流量的分布规律具有决定性的影响。随着流体向下游运动,尾迹区内雷诺正应力分量的衰减和扩散均比雷诺切应力快。而通道涡区域紊流量的值则变化不大。     

肋条湍流减阻机理的研究

本文采用热线实验和大涡模拟数值计算方法,对三角形肋条的局部摩擦阻力和表面流场进行了测量和模拟,并对肋条的减阻机理进行了分析。结果发现,在整体减阻情况下,肋条表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均匀,在肋尖附近区域为局部增阻区,在肋底附近为局部减阻区。在此基础上,通过涡动力学分析建立了局部摩擦力和流场涡运动之间的理论关系式,定量得出法向涡量和展向涡量的扩散流率是决定壁面摩擦阻力的两个因素。进一步研究发现,法向涡量和展向涡量的扩散流率主要集中在肋尖及其两侧,使得该区域能量输运和耗散强烈,形成局部增阻区。而在肋底附近,法向涡量和展向涡量的扩散流率较小,涡运动微弱,形成局部减阻区。     

加力燃烧室热态流场的大涡模拟

本文采用k方程亚网格尺度模型对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流进行大涡模拟的研究,采用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量。数值计算表明,在稳定器后面开始在短时间内出现涡的交替脱落和逐渐消失过程,然后形成稳定的回流区,数值计算结果与实验比较吻合,表明可用大涡模拟研究实际燃烧室瞬态燃烧流场。     

压气机转子叶尖泄漏的DDES研究

叶尖泄漏是压气机中的典型流动,但其机理仍没有完全揭示。本文使用延迟脱落涡模拟方法对压气机转子的泄漏涡进行模拟计算,以便更好了解泄漏流动的运动过程。为了清楚地认识叶尖泄漏的流动结构,本文研究了三维流线、压力和涡量云图。从近堵点到近失速点,泄漏涡形成和失稳的位置都向前缘移动。泄漏流的瞬时流动和平均流动存在差异,据其可将泄漏涡的发展分为3个阶段。另外,泄漏涡的失稳会导致频谱中泄漏主频右侧的高频区域振幅增加。     

三维涡方法模拟蒸发性喷雾

本文发展了考虑可压缩效应的双向耦合三维涡方法,将涡方法拓展至蒸发性喷雾的模拟。离散相液滴的运动采用拉格朗日方法跟踪,采用考虑了吹风效应和对流效应的N-G-R-M模型计算其传热传质。针对文献中的丙酮喷雾实验开展数值模拟,获得喷雾涡量场发展过程及涡量分布规律,并与实验数据进行对比,液滴直径的空间分布与实验结果吻合良好,本文模型可预测出喷雾液滴的平均寿命。     

射流清管器黏滑特性研究

针对射流清管过程中,清管器运动速度不稳定,可能会出现远高于设计气速或卡堵停滞的情况,本研究尝试从理论方面进行建模求解,分析射流清管器黏滑成因。研究过程设计并搭建了室内清管试验平台,通过对比实验与模拟结果,验证求解方法及模型的准确性。针对实验中难以改变和监测的参数,如清管过程中管道内气体流场、清管器两侧压降等,采用数值模拟对其变化规律进行研究。研究表明,射流清管器的黏滑运动与气体可压缩性和摩擦力变化有关:气体可压缩性主要决定了清管器运动的启动、停滞、波动,摩擦力的变化主要对黏滑程度有影响。     

球形和泪滴形凹陷涡发生器传热实验和数值计算

凹陷涡发生器是一种高效的燃气轮机涡轮叶片冷却结构,本文对分别具有球形和泪滴形凹陷涡发生器阵列的表面传热与流动性能开展了实验和数值计算研究。本文分别采用Standardκ-ω,SST和Reliazableκ-ε三种湍流模型计算了凹陷涡发生器表面湍流传热与流阻性能,并与实验结果进行了对比,确定了Standardκ-ω是研究凹陷传热和流动最精确的湍流模型。通过该研究,获得了球形和泪滴形凹陷涡发生器在雷诺数范围8500~60000内的传热及流阻和流动特性。该实验研究表明,与光滑通道内湍流流动相比,球形凹陷传热性能提高约60%,摩擦因子增加约70%;泪滴凹陷传热性能提高约90%,摩擦因子增加一倍左右。泪滴形凹陷表现出更好的传热性能和综合热性能。     

入射和反射激波诱导轻气泡变形和失稳的计算

采用NS方程对激波诱导球形轻气泡的变形失稳过程进行三维数值模拟,验证本文模型的可靠性,讨论气泡变形、涡环形成及其三维失稳过程.结果发现:球形轻气泡在入射和反射激波先后作用下,可以变形并沿流向形成多个旋转方向不同的涡环,而斜压效应是产生这些涡环的主要原因,涡环不仅在自诱导效应和流场作用下运动,而且自身会受到扰动而发生方位角不稳定.当涡环形成以小尺度流向涡为主的复杂结构时,即有可能诱发流场湍流化.     

椭圆涡环相互作用的离散涡数值模拟

本文发展了三维离散涡模型研究了单个椭圆涡环以及两个沿同一轴线运动涡环的相互作用.首先用两个相向运动圆涡环的碰撞过程与实验的对比验证了模型的有效性,随后研究了单个椭圆涡环的运动,得到了其长短轴交替互换周期的表达式.最后以此为基础分别研究了沿同一轴线两个椭圆涡环的相向碰撞和交替穿越过程,发现碰撞后生成的新涡环变大而形状与涡环的初始形状相似,而在两个椭圆涡环的相随运动中其长短轴交替互换则始终贯穿于交替穿越过程.     

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.     

沙丘驻涡火焰稳定性的理论及实验研究

使用实验方法及数值求解三维Navier-Stokes方程,研究了模拟新月形沙丘的BD型旋涡发生器的后缘涡管气流结构及稳定特性.由于拱形效应及涡管尖端发散而产生的抽气作用,BD型涡管具有顽强的抗干扰性能。实验结果表明,和同样阻塞比的V型槽相比,BD型旋涡发生器的阻力下降75—80％,旋涡火焰的贫油稳定性得到大幅度扩展,并具有良好的点火性能.实验结果印证了作者在文献[1]中提出的提高旋涡稳定性的基本原则。     

层流圆管潜射流生成蘑菇形涡结构特性数值研究

基于不可压Navier-Stokes方程, 采用计算流体力学方法, 数值模拟与分析了层流圆管潜射流在密度均匀黏性流体中的演化机理及其表现特征, 定量研究了蘑菇形涡结构无量纲射流长度L^*、螺旋型涡环半径R^*及其包络外形长度d^*等几 何特征参数随无量纲时间t^*的变化规律. 数值结果表明, 蘑菇形涡结构的形成与演化过程可分为三个不同的阶段: 启动阶段、发展阶段和衰退阶段. 在启动阶段, L^*和d^*随t^* 线性变化, 而R^*则近似为一个常数; 在发展阶段, 蘑菇形涡结构的演化具有自相似性, L^*, R^*和d^*与t^*1/2均为同一正比关系, 而且雷诺数和无量纲射流时间不影响该正比关系; 在衰退阶段, L^* 和R^* 正比于t^*1/5, 而d^*则近似为一个常数. 此外, 还对蘑菇形涡结构二次回流点、 动量源作用中心及其几何中心的速度变化规律、垂向涡量分布特征和 涡量-流函数关系进行了分析. 关键词： 圆管潜射流 蘑菇形涡结构 演化机理     

点堆传递函数模型问题分析

点堆模型通过线性化处理后,再经过拉普拉斯变换就得到传递函数模型。但分析发现,在稳定时假设反应性为零线性化处理后得到的传递函数模型有自身的问题。将对这类问题做一个概要性分析。分析方法是理论与实验相结合。理论分析借助系统动力学原理,重点在时域与频域结果的比较。实验方面则是基于工程参数借助计算机进行仿真实验,将时域和频域的仿真结果进行比较。通过比较分析,可以明显看到在稳定时假设反应性为零的点堆模型线性化处理存在的问题。针对该问题,指出了模型修改途径。