微圆孔非线性声阻抗及声整流现象的实验研究

在高声强下测量了微圆孔处声激发射流的速度和微圆孔的非线性声阻抗。随声压级的增加声激发射流的速度增大,实验中射流速度在 ０－１９ｍ／ｓ范围内变化,这表明出现一种强烈声整流现象;与此同时微圆孔声阻明显增大,而声抗减小,声抗最小值约是其线性值的０．７倍。此外实验结果还验证了一种微园孔声学非线性效应离散涡模型的合理性。     

高声强下微圆孔声学非线性效应vena收缩系数的研究

在研究高声强下微圆孔声学非线性效应时,准定常模型的一个明显不足是采用固定不变的 vena收缩系数,因而影响了预测精度。本文联合一种准定常方法和离散涡方法,给出了 vena收缩系数随入射声强的变化曲线,并与实验结果符合得较好。将本文准定常方法与 vena收缩系数曲线相结合来预测非线性声阻,不仅预测精度高,而且十分简便,适用于高声强条件下穿孔板共振吸声结构的工程设计。     

穿孔板在切向流条件下非线性效应的理论与实验研究

流过声衬表面的切向流和高声压级的声场对于穿孔板共振结构的声学特性有这非常显著的影响。本文从波涡相互作用机制出发,发展了一种旨在研究矩形穿孔板在切向流条件下非线性效应的离散涡模型。同时用双传声器法测量了不同几何参数的穿孔板的声阻抗随偏流速度及声压级的变化情况。将本文的实验与理论结果进行了对比分析,对比的结果表明本文的实验与理论结果符合良好。     

压气机角区分离的非线性涡黏模型预测

压气机角区分离是一类典型的复杂分离流动。目前常用的线性涡黏性模型预测得到的结果常与实验结果有较大差别。使用雷诺应力模型的计算或大涡模拟等可以得到良好的预测结果,但受计算量和稳定性限制,目前尚未得到广泛应用。本文探索了一种形式简单的新型非线性涡黏模型在压气机角区分离流动预测中的可行性和有效性。计算结果表明:该非线性模型有效地改进了精算精度,压力分布和分离起始位置等的预测值得到了明显改进。同时,使用该模型时的额外计算量小于5%且计算的收敛性没有明显恶化。本文结果表明该非线性涡黏模型在叶轮机械复杂流动中的应用值得进一步探讨。     

圆孔非线性声阻抗三维时域仿真与特性分析

为研究有限振幅声波作用下圆孔的非线性声学特性,提出了基于三维时域计算流体动力学(CFD)仿真的圆孔非线性声阻抗提取方法,通过求解层流方程来模拟声信号在圆孔及上下游的传播,以及采用横向周期性边界条件来考虑高穿孔率时圆孔之间相互作用的影响。研究了不同幅值声波作用下孔径、厚度和穿孔率对声阻抗的影响规律,通过对质点振速幅值、频率和板厚等组成的无量纲参量进行非线性回归分析,得到了圆孔非线性声阻抗的拟合公式,并将其转换为可考虑多频声波影响的时域模型。最后结合声阻抗时域模型和有限差分方法计算了直通穿孔管消声器在小振幅和有限振幅声波作用下的传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证了拟合公式的准确性和实用性。     

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.     

非线性k－ε模型的力学实质探讨

本文运用非线性连续介质力学的变形与本构理论及湍流建模准则作为依据，对非线性ｋ－ε模型的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力计算表达式进行详尽的分析与探讨，得出针对本构关系而涉及二阶变形率及其Ｏｌｄｒｏｙｄ导数的非线性项是改善涡粘模型又反映脉动结构的各向异性的有效途径，建立各向异性模型应该采用客观物理量，现实性的考虑可以保证附加应力无迹来实现。     

气膜冷却圆孔射流输运特性的大涡模拟研究

气膜冷却是燃机透平的关键冷却技术,其中射流问题又是气膜冷却的核心物理问题,本文采用大涡模拟方法研究了圆孔冷却射流的输运特性.文中首先采用流向准周期性方法实现了稳定的壁面湍流生成功能.通过对槽道湍流的大涡模拟验证,指出了在两种对流项格式下解析壁面湍流所需要的网格尺度,同时针对六种亚格子模型进行了验证.文中还发展了基于曲面...     

来流边界层对三角翼诱导涡特性的影响

三角翼是涡发生器的主要结构型式,用于涡发生器的三角翼常处于翼面边界层内。本文采用数值求解雷诺平均NS方程的方法,以平板上一个三角翼模型为研究对象,研究不同来流边界层速度型(均匀分布、湍流边界层速度型和层流边界层速度型)和5种边界层厚度条件下,三角翼诱导涡沿流向的最大涡量分布规律及衰减规律。结果表明,湍流边界层下三角翼诱导涡最大涡量值要大于层流边界层,且边界层高度越低,诱导涡最大涡量值越大。     

基于DES方法的平板孤立冷却孔数值模拟研究

本文运用DES(Detached-Eddy Simulation)分离涡方法,对吹风比为0.51和1.04的平板孤立直圆孔和弯圆孔下游的换热特性和漩涡结构进行了数值研究,并简要分析了下游涡量场的结构。模拟结果显示,预测的壁面温度场的趋势与实验值吻合较好;与RANS方法相比,DES方法得到了更加丰富的流场细节和旋涡结构,同时再现了冷却孔下游具有流场的间歇性,对进一步理解和研究冷却孔下游流场内的旋涡结构提供了参考。     

空间发展平板混和层流动的大涡模拟-3D与2D模拟的比较

本文利用大涡模拟方法研究了空间发展平板混合层流动,分别在三维模型和二维模型下,比较了大尺度结构涡的演化过程,以及流向速度、流向脉动速度、横向脉动速度和Reynolds应力的统计时均结果,并与实验结果对照,指出3D模拟无论在物理真实性还是预报结果准确性方面都要明显优于2D模拟。     

基于雷诺应力模型的高精度分离涡模拟方法

基于Speziale-Sarkar-Gatski/Launder-Reece-Rodi(SSG/LRR)-ω雷诺应力模型发展了一类分离涡模拟方法,结合高精度加权紧致非线性格式在典型翼型及三角翼算例中进行了验证,并和传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法进行了对比.结果表明:基于SSG/LRR-ω模型的分离涡模拟方法,提高了原雷诺应力模型对非定常分离湍流的模拟能力;同时相比于传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法,尤其是在翼型最大升力迎角和三角翼涡破裂迎角附近,该方法在平均气动力预测的准确度、分离湍流模拟的精细度等方面更加优秀.     

气膜冷却温度场预测的标通量模型评估研究

气膜冷却是燃机高温透平叶片的关键冷却技术，准确高效地预测气膜冷却的温度场对于冷却设计具有重要意义。本文针对圆孔射流密度比(DR)为1、速度比(V R)为0.46的工况，基于大涡模拟(LES)的流场数据，单独求解采用不同标通量模型的时均标量输运方程，对比分析了各个模型的预测效果及其参数影响。评估的标通量模型包括梯度扩散模型(GDH)、广义梯度扩散模型(GGDH)和高阶广义梯度扩散模型(HOGGDH)。结果显示，GDH对射流核心的流向扩散预测较弱，对于温度场的分离再附特征也不能准确捕捉。GGDH和HOGGDH模型能够较好地预测下游扩散，对分离再附现象也有较好的反映。本文进一步指出，GGDH和HOGGDH模型引入雷诺应力从而隐含了垂直于标量梯度的输运模式，使其对温度场的预测更为准确。     

排水口旋涡的压强与速度分布

本文对自由表面液体在重力作用下形成排水旋涡的性质进行了研究,分析了当旋涡达到稳定状态时内部速度与压强的分布,并由此确定了旋涡产生的凹陷液体上表面形状.本文用类似兰金涡模型的思想,以一临界半径为界线,半径以外采用自由旋涡模型,在靠近涡心处使用等角速度模型以避免奇点的出现.这一模型可以给出旋涡内部的压强和速度分布规律,能定性解释不同粘度流体形成旋涡形状的差异.     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。     

拟涡位移模型及气粒两相流动数值模拟

本文首先用离散涡方法对绕圆柱和半无限长平板的流动作了数值模拟。在讨论粒子和涡团耦合运动的基础上首次提出了粒子在流场中运动的拟涡位移模型，并对几个典型的气粒两相流动作了数值模拟。文章最后对流场中粒子运动的瞬时状态作了统计处理，得到了关于粒子在流场中分布的概率密度函数和粒子脉动速度的分布函数并用拟涡位移模型对壁面附近粒子的运动－沉积和反弹作了数值模拟。计算结果是令人满意的。     

大型风力机叶片非线性气弹模型

大型柔性叶片在实际运行过程中存在明显的几何非线性变形问题。本文基于自由涡尾迹方法,与FAST进行耦合建立了完善的风力机叶片气弹模型。并通过NREL PhaseⅥ风力机对气动部分进行了验证,最后用耦合后的气弹模型对两种极端工况进行了数值仿真。结果表明,自由涡尾迹方法能够更好的模拟风力机叶片的气动变化过程。耦合后的气弹模型能够很好的模拟极端风切变下的结构变化。     

湍流黏性修正在不同孔型气膜计算中的应用

燃气轮机气膜冷却流动中的复杂涡系使得其湍流黏性系数体现出很强的各向异性。本文采用作者提出的代数各向异性湍流黏性系数修正方法(AAEV方法),对不同孔型气膜冷却进行了研究。文中结合平板圆孔、扇形孔气膜冷却实验结果,将传统的湍流模型与修正后的湍流模型获得的模拟结果与实验值进行了比较,得到修正后的结果与实验有较好的吻合度。修正后的湍流模型对不同的孔型有很好的适用性,同时揭示了两种孔不同的三维特性。     

底吹气体搅拌下熔池内流场的研究

本文对底吹气体搅拌下水模型熔池流场进行了研究。以流函数、涡量为主要应变量,采用K-8湍流双方程模型,气液两相区的浮力模型及边界条件构成数学模型,应用spalding计算湍流迥流的方法,数值求解得到熔池流场涡量、流函数、湍动能、湍动能耗散率、涡旋粘性系数、速度、含气率及密度等的分布,计算的速度分布及流谱与实验测定的相吻合。     

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。