涡发生器结构对翼型绕流场的影响

为了研究涡发生器在风力机叶片上的应用,以进一步提高风力机气动效率,本文采用CFD数值模拟方法,分析涡发生器几何形状对其绕流场和翼型边界层特性的影响.涡发生器几何形状为同样高度的矩形、梯形和三角形。翼型为风力机专用翼型DU97-W-300。首先对数值模拟结果与实验值进行了对比,验证了数值方法的可信性。然后详细讨论了各种涡发生器所产生的集中涡涡量、翼型边界层特性、以及绕流场等沿流向的发展演变。总体上看,三角形涡发生器较适合用于风力机翼型的流动控制。     

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。     

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。     

超声速混合层涡结构内部流体的密度分布特性

在使用大涡模拟方法获得超声速混合层流场的基础上,利用拉格朗日相干结构法和涡核位置提取方法,得到了涡结构的边界和涡核的位置坐标,并由此提出了涡结构内部流体密度分布的表示方法.通过分析涡结构内部流体的密度在不同情况(如涡结构的空间尺寸、混合层流场的压缩性和涡结构的融合过程)下的变化,揭示出超声速混合层涡结构内部流体的密度分布特性:在弱和中等压缩性的超声速混合层流场中,其涡结构内部流体的密度分布既关于流向(x轴)对称又关于纵向(y轴)对称,涡核处的流体密度最低而涡边界处的流体密度最高,流体密度在连接涡核与涡边界的射线上单调且近似均匀地增加;在强压缩性的超声速混合层流场中,其涡结构内部流体的密度分布不再具有对称性,而且流体密度呈现波动变化的特点;随着涡结构空间尺寸和流场压缩性的增加,涡核处的流体密度降低(最大减少量约为31%—56%),而涡边界的流体密度变化量约为6%—27%;在相邻两个涡结构的融合过程中,涡结构内部流体密度的变化较轻微,表明融合过程很可能是两个涡结构内部流体的对等组合过程.     

驻涡燃烧室后驻体形状选择冷态数值研究

因具有低排放和宽广工作范围等性能的优势,驻涡燃烧室越来越受到人们的关注。在冷态条件下对几种驻涡燃烧室后驻体造型形式的流场进行数值研究,发现不同后驻体造型形式不公改变驻涡腔内气体流动的速度,而且引起驻涡腔内旋涡运动方式不同。计算结果表明方形后驻体造型时能形成驻涡腔内气体较低速度流场,形成的旋涡结构有利于提高驻涡燃烧室性能。     

可压缩流动离散涡方法

推导了可压缩流动旋涡动力学基本方程,并分析了其基本性质。如同不可压流动,在可压缩流动中旋涡同样具有场与物质两重特征。得出了可压缩流中的旋涡诱导速度公式,对Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ方程进行了可压缩修正。基于Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ框架下的粒子方法,求解可压缩流中的胀量项,从而用离散涡模型求解了非定常、不稳定、可压缩流场。数值实验验证了提议的计算方法有效性。并分析了可压缩流动中旋涡运动的特征,与不可压流动的差别。     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡的三维流动

用三维激光多普勒测速系统测量了低速大尺寸单级压气机小流量状态转子内尖区三维紊流流场。小流量状态下叶尖泄漏涡产生于更靠近转子叶片前缘,旋涡强度大,发展迅速,在转子内距离前缘约２０％轴向弦长的截面达到最强,在８０％轴向弦长附近发生破裂。泄漏涡是造成转子内尖区流动阻塞和紊流脉动的主要因素之一。在约７５％弦长的轴向截面,吸力面角区发生旋涡流动,造成较强的流动阻塞和紊流脉动。     

涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响

采用三维CFD黏性模拟考察涡发生器对高超声速轴对称进气道外部流动的影响.针对前缘钝化半径0.8 mm和3.2 mm的轴对称进气道外部流场,以涡发生器高度与当地位移边界层厚度比值为影响参数,考察流场结构与性能参数的影响规律.结果表明,涡发生器产生的干扰波系使得前缘激波向外偏移,下游近壁面流动与主流区出现明显的交换,下游流动出现明显的展向非均匀性.涡发生器对流动的影响沿流向逐渐减弱.在气流压缩性能方面,涡发生器下游压比、动压比沿流向开始增大,随后逐渐恢复到无涡发生器工况;Mach数、总压恢复系数开始降低,随后逐渐向无涡发生器工况趋近.涡发生器高度与当地位移边界层厚度的比值h可作为衡量其影响的重要参数.当h≤1.5时,进气道流场结构、性能参数的变化几乎可忽略,h≤3.0时进气道入口处性能参数几乎能够恢复到无涡发生器工况.      

凹陷涡发生器非稳态流动与传热分离涡模拟

本文对具有凹陷涡发生器的冷却通道内非稳态湍流流动与传热特性进行了分离涡模拟研究。通道内流动雷诺数为50500,凹陷涡发生器深度与直径比为0.2。分离涡模拟结果与实验数据进行了对比验证,并对凹陷表面非稳态流动与传热特性进行了详细分析。研究结果表明:分离涡模拟得到的凹陷表面时均局部Nμ数分布与瞬态液晶热像实验得到的Nμ数分布相似,并且总体平均Nμ数和摩擦因子与实验数据也较好地吻合;分离涡模拟获得了详细的凹陷涡发生器表面非稳态流动和传热特征,凹陷表面前缘处的低换热区形成左右两个旋涡,经历了形成、旋转、回流、破碎四个过程,这些非稳态的涡流动显著地强化了凹陷表面的对流传热性能。     

泵站水泵进水池内防涡装置有效性的数值验证

本文提出了一种消除泵站水泵吸水管内旋涡和流动分离的圆锥形防涡装置。为了验证该装置的有效性,建立了泵站水泵进水池和吸水管内三维湍流流场的数学模型,用分区网格构造了泵站水泵进水池和吸水管的贴体计算网格,采用有限体积方法,计算了无圆锥形防涡装置和有圆锥形防涡装置时,水泵进水池和吸水管内三维湍流流场,结果证明该圆锥形防涡装置能有效消除水泵吸水管内旋涡和流动分离。     

狭窄通道湍流纵向涡强化换热实验和数值研究

本文采用实验的方法,研究了单面加热矩形狭窄通道内,翼片型纵向涡发生器对流动换热的强化作用.在此基础上,应用大涡模拟的方法对通道内的瞬态流场及其对壁面对流换热的影响进行了研究,并将数值模拟与实验进行了比较.结果表明,通过添加翼片可以在流动中产生涡流,强化壁面边界层与流体的物质和能量交换,并验证了将大涡模拟应用于纵向涡强化换热研究的可行性.     

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.     

跨声速压气机转子叶尖涡系结构分析

本文以NASA rotor 35为研究对象,采用定常和非定常数值模拟方法对其全稳定工况范围内的流场进行了数值模拟。以此为基础,将广泛应用于旋涡结构识别的特征向量法和Lambda 2方法引入到压气机叶尖流场的分析中。流场分析表明:当在流向涡稳定发展时,lambda 2方法和特征向量法均可以准确地提取叶尖流场中的主要涡旋;当流向涡结构遭到破坏时,lambda 2方法在涡破碎区失效,而特征向量法则可以更为深入地描述破碎区的情况。从阻塞工况到近峰值效率工况,叶尖通道中除了主间隙涡之外还有若干二次间隙涡,二次间隙涡的分布与通道中激波的变化紧密相关;而从近峰值效率工况到失速边界工况,叶尖涡系不再发生变化,但主间隙涡与激波干涉效应不断增强,叶尖流场先后历经了激波后近压力面侧低速阻塞区的出现、主间隙涡的泡式及螺旋式破碎。     

旋涡声散射的空间尺度特性数值研究

旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值,如飞行器的尾涡识别、探测及测距,湍流剪切流中声目标预测,声学风洞试验中声学测量和声源定位等.声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象,其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关.本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式,通过求解二维非定常Euler方程,数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题.通过引入声散射截面法,分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律.研究表明:随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加,旋涡流场对声场的影响逐渐减弱,声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小,声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.     

湍流混合层流场的PIV测量

本文使用PIV对在坚直通道内放置一个特殊设计的隔板所形成的湍流混合层流动进行测量,高低侧速比为4:1,基于两股流体速度差和管道水力半径的Re数范围4400～158400.发现混合层中大涡拟序结构的尺度随雷诺数的增加而增大,而后又随雷诺数的继续增大而减小,气泡的加入会延缓或阻碍大涡拟序结构的发展.对雷诺应力、湍流强度、涡量、旋涡强度在混合层流场内随雷诺数的变化和分布规律进行分析,发现混合层内雷诺应力、湍流强度、涡量及旋涡强度均集中分布在隔板下游一个较窄的锥形区域内,雷诺应力和湍流强度随雷诺数的增大先增人后减小,随离开隔板距离的增大而减小.涡量及旋涡强度随雷诺数的增大而增加,随离开隔板距离的增大而减小.     

离心泵启动过程的涡动力学诊断

在离心泵启动过程内部流动数值模拟的基础上进一步深入分析瞬态流动结构,研究启动过程中泵内能量分布的合理性及其对瞬态特性的影响,采用涡动力学方法对启动过程瞬态流场分布进行诊断。分别采用过流断面总压流分布和边界涡量流的轴向分量分布表征流体能量变化和叶轮局部对流体做功的效应。并用过流断面总压流的值来分析叶轮机械能与流体能量的转化情况。本文给出了针对泵内非定常流场的诊断过程,并为泵启动过程的控制和优化提供参考和依据。     

双孔VGJs对高亚音扩压叶栅端区流动的影响

本文采用数值模拟的方法研究了单孔以及双孔射流旋涡发生器(VGJs)对高亚音速(Ma=0.67)压气机叶栅内气动性能的影响,同时对双孔射流参数对控制效果的影响进行了分析,并对控制前后栅内流场以及主要旋涡结构的变化进行了详细的探讨。计算结果表明:采用单孔以及同向双孔射流均有效的降低了总压损失系数,增强了气流折转能力,有效的改善了端区流动。相对距离对VGJs的控制效果影响较小,但对倾角的变化较为敏感。单双孔射流的控制机制基本一致,采用射流旋涡发生器后,端壁附面层横向迁移被有效的抑制,通道涡、集中脱落涡,壁面涡以及壁角涡被削弱,同时在吸力面侧形成诱导涡,附面层分离被推迟。     

液固两相流中流体旋涡对固体粒子运动影响的数值研究

基于离散涡方法求得的非定常、不稳定流场和颗粒的Lagrangian运动方程,数值计算了四种St数下的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。计算结果证明了颗粒运动与流体旋涡存在着明确的相关结构：在钝体（圆柱）表面附着泥沙,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,带动钝体表面泥沙起浮。对于小St数（0．15～0．59）与中等St数（1．33～2．36）的泥沙颗粒被流体旋涡所带起,井被卷入流体旋涡结构内,被卷入流体旋涡结构内的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区,即在旋涡区聚集。     

旋风分离器内涡核摆动的特性研究

涡核摆动是旋风分离器流体运动的一种非稳定现象,会对流场造成扰动,导致颗粒返混进而影响分离效率.为了探究涡核摆动的规律和机理,本文对单入口蜗壳式旋风分离器内的流场进行研究,运用PDPA测量流场的基本数据,采用Reynolds应力输运模型对其流动进行数值模拟,并定义旋流不稳定性指数TⅡ来分析流动的不稳定性.结果表明,截面Z/D=0.71上瞬时切向速度波动经Fourier变换后,存在一个集中分布的频率,此频率由涡核摆动导致,而且数值模拟结果与实验测量数据吻合较好。通过对涡核中心的运动轨迹分析,发现在整个旋风分离器空间内部都存在涡核摆动现象;在同一时刻,各个截面的涡核中心偏离几何中心的情况并不相同,涡核区域也不一致;各个截面的涡核中心的连线并不在一个平面或者直线上,而是摆动的。此外,分析TⅡ曲线发现气流从不对称的入口结构进入旋风分离器内部,涡核中心开始偏离几何中心,不稳定性逐渐扩大;随着旋流运动向下,入口结构不对称对旋流的影响变小,不稳定性又逐渐减小;流动最终在Z/D=8之后趋于稳定.     

扩压叶栅端壁角区流向涡对湍流特性的影响

本文用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅的叶片吸力面角区流动湍流特性，如紊流动能分布、雷诺应力分布等．分析了角区内流向涡和通道涡对湍流特性分布的影响，结果表明：流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加．同时，旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律．