前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

前缘曲率变化对平板边界层感受性问题的影响

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.目前已有的研究成果显示,在声波扰动或涡波扰动作用下前缘曲率变化对边界层感受性机制有着显著的影响.本文采用直接数值模拟方法,研究了在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘平板边界层感受性问题,揭示椭圆形前缘曲率变化对平板边界层内被激发出Tollmien-Schlichting (T-S)波波包的感受性机制以及波包向前传播群速度的影响;通过快速傅里叶分析方法从波包中提取获得了不同频率的T-S波,详细分析了前缘曲率变化对不同频率的T-S波的幅值、色散关系、增长率、相速度以及形状函数的作用;确定了前缘曲率在平板边界层内激发T-S波的感受性过程中所占据的地位.通过上述研究能够进一步认识和理解边界层感受性机制,从而丰富和完善了流动稳定性理论.     

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

合成冷/热射流控制超声速边界层流动稳定性

为了探究超声速边界层流动稳定性及其转捩控制机理,提出基于合成冷/热射流的边界层速度-温度耦合控制方法,并通过数值模拟研究了Ma=4.5超声速平板边界层不稳定波的传播,采用线性稳定性理论中的时间模式分析了壁面吹吸、射流温度、扰动频率、扰动振幅等对不稳定波控制效果的影响.结果表明:无射流控制时,边界层内同时存在不稳定的第一模态扰动波和第二模态扰动波,且二维波形式的第二模态占主导地位;壁面吹吸作用下,仅出现更加不稳定的第二模态,第一模态被抑制;速度-温度耦合控制下,射流温度对扰动模态的不稳定区域大小及扰动增长率影响显著,射流温度与来流温度不同时,温度的脉动使得流动转捩为湍流的速度加快,边界层速度型更加饱满,抗干扰能力增强,流动稳定性提高;高频的吹吸扰动对流场的控制效果优于低频扰动,扰动频率超过400 Hz时,第二模态扰动波时间增长率降低,扰动分量对边界层速度剖面和温度剖面的修正加快,第二模态更加稳定;扰动振幅减小为主流速度的1%时,仅出现时间增长率较小的第二模态,控制效果较好,进一步减小时,第一模态重新出现,并且波数范围与第二模态先重合后分离,对应的时间增长率先增加后减小.研究结果为边界层转捩控制技术提供了新的思路.     

无限薄平板边界层前缘感受性过程的数值研究

在边界层流中层流向湍流转捩机理的研究一直是人们所关注的重要理论课题之一.感受性阶段是边界层内整个转捩过程中的初始阶段,它在层流向湍流转捩过程中起着关键性的作用.但是,在过去的边界层前缘感受性研究中大多数都是针对外部声波小扰动,很少见到考虑在自由流中普遍存在的自由来流湍流作用下边界层内诱导前缘感受性问题的相关报道.本文采用直接数值模拟的方法,研究自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中前缘感受性过程的内在机理.数值结果发现,在自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中能被感受出一组小扰动波,且它们的色散关系、增长率、中性曲线等结果都与流动稳定性中的线性理论获得的理论解相一致,由此可知在边界层内被激发产生的一组小扰动波就是Tollmien-Schlichting波,这也证明自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动相互作用是激发边界层流中前缘感受性过程的另一种物理机理;另外,还探讨了自由来流湍流度以及自由来流湍流的运动方向对无限薄平板边界层前缘感受性过程有何影响等.总之,开展边界层前缘感受性过程的深入研究,有益于完善流动稳定性理论,将为层流向湍流转捩过程的预测提供合理的理论依据.     

高超声速飞行器复杂外形转捩预测

采用k-ω-γ转捩模式对某新型飞行器外形的典型流动特征和边界层失稳特性进行了分析.研究结果表明,横流是影响飞行器大面积转捩的主要因素.随着高度增加,来流Reynolds数减小,迎风面和背风面的转捩起始位置均向下游移动.随着攻角增加,头部附近背风面的展向压力梯度增大,横流效应增强,转捩起始位置向上游移动;另一方面攻角增加导致头部激波增强,波后迎风面密度显著增大,边界层外缘Reynolds数增大,导致迎风面转捩提前发生.0°攻角下背风面中心线附近由压缩面诱导的流动分离导致转捩提前,产生"凸"字型转捩型线,5°攻角时该流动分离发生于转捩之后,"凸"字型转捩型线消失.      

高超声速三角翼上横流不稳定性的实验研究

本文研究了三角翼迎风面边界层中的非定常横流不稳定性.实验在马赫6低噪声风洞中进行,模型为平板构型,攻角为5°和10°.通过温敏漆技术,观察到在远离头部的区域,边界层转捩阵面光滑且平行于前缘,通过Kulite高频脉动压力传感器得到的功率谱密度曲线中有明显的f≈10 kHz的扰动波信号峰值.利用基于纳米示踪的平面激光散射技术,在平行前缘方向对此区域进行流场可视化,观察到规则的向下游卷起的涡结构,形态与数值模拟中的横流涡形态一致,且涡结构的位置不是固定的,因此该10 kHz的信号为非定常横流波信号.只有在边界层为层流时,才能够观察到明显的10 kHz左右的非定常横流波信号峰值,边界层转捩中或转捩后,脉动压力的功率谱密度曲线为低频成分占主导的宽频分布.提高单位雷诺数,同一压力测点位置得到的横流波幅值先增长至饱和而后衰减.增大攻角时,横流行波幅值增长更加迅速,在较低的雷诺数下就可以增长至饱和.另外,还利用Kulite传感器阵列测量了横流波的相速度和传播角度,文中所测状态下,相速度分布在0.24—0.32倍来流速度之间,传播角度与来流方向夹角在40°—60°之间.并且,增大攻角时,横流波的相速度变大,传播角减小.     

转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响

为研究转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响,文章选取了二维与三维高超声速双斜面进气道模型与大钝头着陆器模型,并使用γ-Re_θ转捩模型开展数值模拟研究.研究表明,对于二维进气道模型,随着前缘钝度的增加,激波边界层干扰位置前移,分离区变大,与层流流动情况相比,有转捩流动发生时,激波边界层干扰位置后移,同时分离流动强度变弱,分离区缩小;对于三维进气道模型,其拐角附近的分离流动呈现明显的三维特征,转捩流动也存在三维流动结构,与静风洞状态相比,噪音风洞状态下,有转捩流动发生,对壁面热流影响较大,对激波系影响很小.对于着陆器模型,底部流动发生转捩,使得底部流动由不稳定非定常的流动结构变为稳定定常的流动结构,这有益于姿态控制设计.      

后掠机翼的横流不稳定性分析及转捩预测

后掠机翼边界层的流动稳定性及转捩对翼型的设计及优化有着重要的参考价值,而横流失稳是引起后掠机翼边界层转捩的关键因素之一.以NLF（2）-0415翼型为研究对象,采用三维可压缩Navier-Stokes方程并结合γ-Re_θt转捩模式计算了展向无限长后掠机翼的基本流场.由于原始γ-Re_θt模式只能预测流向边界层转捩,因此在原始转捩模式中添加横流间歇因子项,进而对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测.计算结果显示,利用改进后γ-Re_θt转捩模式预测得到的后掠翼型的转捩位置与实验数据吻合较好,证明了修正的转换模式的合理性和实用性.      

二维NACA65叶型前缘几何形状对气动性能的影响

用实验方法研究了二维叶片前缘几何形状对气动性能和转捩的影响。实验是在低速叶栅风洞中完成的。考察了分别装有圆形和椭圆形前缘的一个NACA65叶型前缘附近的流动情况。给出了细致的叶片前缘和分离区内的压力分布情况。结果表明:前缘几何形状对前缘流动、分离和转捩及以后的附面层发展有很大的影响。     

压气机叶片前缘分离流动

用实验方法研究了压气机叶片前缘分离流动结构。实验是在低速叶栅风洞中完成的。考察了分别具有圆形和椭圆形前缘的NACA65叶型和CDA叶型前缘附近的流动情况。给出了细致的叶片前缘和分离区内的压力分布情况以及叶片前缘附近流动结构。     

DMD和POD对超燃冲压发动机凹腔流动的稳定性分析

开式凹腔作为超燃冲压发动机中增加掺混和稳焰的装置, 其流动稳定性的研究对深入理解凹腔增加掺混和稳焰机理以及凹腔的设计有着重要的学术意义和工程应用价值.基于大涡模拟方法对超燃冲压发动机开式凹腔流动进行数值模拟, 分别采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition, DMD)和本征正交分解方法(proper orthogonal decomposition, POD)对自激振荡流动进行稳定性分析. DMD方法可准确提取凹腔的振荡频率, 与Rossiter模型以及压力脉动FFT分析得到的频率吻合较好, 且DMD中对应Rossiter前3阶频率的模态在流动中的主导作用顺序也与FFT分析结果一致, 自激振荡中RossiterⅢ模态占据主导作用, 同时DMD方法对Rossiter 3阶以上模态频率的预测能力明显强于FFT分析方法.在对低频的提取方面, DMD方法比Rossiter模型更具有优势.与前6阶Rossiter模态对应DMD模态均缓慢收敛, 主要表现为剪切层中的分离涡结构和中部及下游区域中的涡结构.前3阶不稳定模态中的分离涡结构主要集中在中部剪切层以及后缘附近区域. POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量.但是, 通过POD方法提取的模态频率在分辨率上效果不佳, 提取到最低频率为Rossiter 3阶模态对应的频率, 且模态中均存在次频, 次频与主频之间的耦合导致模态的形态相差较大.另外, 与DMD方法相比POD方法无法判断所提取的模态的稳定性.      

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

气膜孔角度对动叶前缘冲击/气膜复合冷却的影响

本文针对GE-E3第一级动叶前缘的冲击/气膜复合冷却结构进行了热流耦合数值研究。采用标准k-ω湍流模型,分析了前缘气膜孔对称布置时,其角度对透平动叶前缘冲击/气膜复合冷却特性的影响;在五种冷气质量流量比(MFR=0.005,0.010,0.016,0.020,0.025)下,研究了气膜孔在不同角度(β=20°,25°,30°,40°,50°,60°)时的透平动叶前缘冷却换热效果。研究结果表明:在本文研究范围内,气膜孔角度越小,透平动叶前缘的平均综合冷却效率越高;随着冷气质量流量比增大,透平动叶前缘的平均综合冷却效率逐渐提高。     

Analysis of flow structures in supersonic plane mixing layers using the POD method

The proper orthogonal decomposition (POD) method was applied to analyzing the database obtained from the direct numerical simulation (DNS) of supersonic plane mixing layers. The effect of different forms of the inner products in the POD method was investigated. It was observed that the mean flow contributes to a predominant part of the total flow energy, and the energy spectrum of the turbulence fluctuations covers a wide range of POD modes. The patterns of leading (high energy) POD modes reveal that the flow structures exhibit spanwise counter rotating rolls, as well as oblique vortices. These flow patterns are insensitive to the velocity of the observer. As the convective Mach number increases, the energy spectrum becomes wider, the leading POD modes contain more complicated structures, and the flow becomes more chaotic.     

Numerical analysis of dipole sound source around high speed trains

As the maximum speed of high speed trains increases, the effect of aeroacoustic noise on the sound level on the ground becomes increasingly important. In this paper, the distribution of dipole sound sources at the bogie section of high speed trains is predicted numerically. The three-dimensional unsteady flow around a train is solved by the large eddy simulation technique. The time history of vortices shows that unstable shear layer separation at the leading edge of the bogie section sheds vortices periodically. These vortices travel downstream while growing to finally impinge upon the trailing edge of the section. The wavelength of sound produced by these vortices is large compared to the representative length of the bogie section, so that the source region can be regarded as acoustically compact. Thus a compact Green's function adapted to the shape can be used to determine the sound. By coupling the instantaneous flow properties with the compact Green's function, the distribution of dipole sources is obtained. The results reveal a strong dipole source at the trailing edge of the bogie section where the shape changes greatly and the variation of flow with time is also great. On the other hand, the bottom of the bogie section where the shape does not change, or the leading edge and boundary layer where the variation of flow with time is small, cannot generate a strong dipole source.     

Modification of junction flows by altering the section shapes of the cylinders

Through visualization and measurement on the cylinder-plate junction flow, we show the horseshoe vortices can be significantly modified by altering the section shape of the cylinder. Both smoke-wire and Laser-Induced-Fluorescence (LIF) are employed to visualize the vortex structures. Laser Doppler velocimeter is used to measure the velocity field in the symmetry plane upstream of the cylinder. Electrical pressure-scanning valve is applied to acquire the pressure on the plate. It is found that, the sharper the frontal shape of the cylinder, the closer the vortex shedding position and the primary horseshoe vortex location to the cylinder. We quantitatively show the variation of the scale and strength of the primary horseshoe vortex, as well as the maximum wall shear stress, when the section shape of the cylinder is varied. The reduced streamwise adverse pressure gradient explains why the horseshoe vortices are significantly suppressed when the frontal shape of the cylinder becomes sharper. At last, we present a swept thin cylinder installed in front of the primary cylinder can be used to suppress the horseshoe vortices, which is greatly effective and easy to implement.     

展向凹槽及泄流孔对高超声速平板边界层转捩影响的试验研究

针对展向凹槽和泄流孔对高超声速钝平板边界层转捩的影响,在中国空气动力研究与发展中心F2 m激波风洞(FD-14A)开展了试验及初步的计算与理论研究.试验的来流马赫数为6、单位雷诺数为3.3×107/m,平板的前缘半径为1 mm,攻角为–4°.在距平板前缘110 mm处布置三组不同的二维展向凹槽,凹槽的宽度与深度分别为凹槽1(2.5 mm,1 mm)、凹槽2(3.75 mm,1.5 mm)、凹槽3(5 mm,2 mm),同时凹槽1的两端可以打开泄流孔,记为凹槽4,不含凹槽时的光滑平板情况记为凹槽5或平板.采用热流传感器测量了不同情况下平板中心线的热流分布,测量结果显示,光滑平板情况在x≈340 mm处开始转捩,在x≈425 mm处转捩接近完成.凹槽导致平板边界层的转捩位置提前,且随着凹槽宽度及深度的增加,对转捩的促进作用增强,转捩位置向上游移动.凹槽1增加泄流孔后(凹槽4)其热流分布及转捩位置与光滑平板情况基本一致.边界层流动完全转捩为湍流后,各情况下的热流差别较小,表明不同规格的凹槽只影响转捩过程中的热流分布,对转捩完成后的湍流壁面热流影响较小.数值计算(CFD)结果显示,泄流孔导致了被动抽吸,试验结果显示凹槽两端的泄流孔抽吸效应抵消了凹槽对平板中心线边界层转捩的促进作用.采用线性稳定性理论(LST)及最优扰动方法分析了光滑钝平板情况的流动失稳机制.LST结果显示,本文平板流动不存在Mack第一模态、第二模态失稳,因此传统的模态失稳机制无法解释试验中观测到的转捩现象.最优扰动计算显示,平板流动存在较强的非模态失稳,可以定性解释观测到的转捩现象.