疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

表面张力对疏水微结构表面减阻的影响

通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面,考虑表面张力的影响,利用定常与非定常结合的数值模拟方法,研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果,其中Re=3000—30000.在低雷诺数下,疏水表面微结构内气体封存状态良好,减阻率最高约为30%;随着雷诺数的增大,压差阻力增大,减阻率有下降趋势.当来流速度过大时,水会大量进入微结构,疏水表面的减阻率变化剧烈,且已经不再减阻.结果表明,表面张力削弱了壁面切应力的影响,使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存,进而减小壁面阻力.     

YLSG 107高升力翼型主动流动控制的数值模拟

数值模拟零质量射流与YLSG 107翼型绕流的干扰流场,探讨零质量射流在高升力翼型失速控制中的控制效果、控制特性及控制机理.数值模拟以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.通过在喷口上施加非定常边界吹/吸边界条件模拟射流对翼型绕流的干扰.采用与风洞实验相同的来流状态和控制参数进行数值模拟,得到与实验相吻合的结果.为进一步研究控制特性和控制规律、提出改进的实验方案,研究不同动量系数、不同射流偏角对控制效果的影响,并对法向射流和近切向射流进行较深入的比较.研究表明,先前的风洞实验对应的射流动量系数(0.000 014)偏小是控制效果不显著的重要原因之一,必须达到0.001以上才有明显控制效果(射流动量系数为0.005时可使该翼型失速迎角增大2°,最大升力提高8.7%);近切向射流在失速控制方面明显优于法向射流.     

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.      

基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面减阻性能研究

为了减小流体对固体壁面的阻力, 基于蚯蚓生物学特征, 对蚯蚓背孔射流特性进行分析, 建立仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面计算模型, 采用SST k-ω 湍流模型对仿生射流表面的减阻特性进行数值模拟, 同时对数值模拟结果进行实验验证, 并以此研究了仿蚯蚓背孔射流表面的减阻机理.结果表明, 在一定条件下, 仿蚯蚓背孔射流的仿生射流表面具有较好的减阻效果; 在同一射流方向角下, 随着射流速度的增加, 减阻率逐渐增大; 在同一射流速度下, 随着射流方向角的增加, 减阻率呈先减小后增大的变化趋势; 数值模拟与实验均在射流速度为1 m·s^-1、射流方向角为-30°时达到最大, 分别为8.69%, 7.86%; 射流表面改变了原有光滑壁面的边界层结构, 对壁面边界层进行了有效的控制, 减小了壁面的剪应力, 降低了壁面边界层的速度.     

亚临界横绕圆柱流动的实验研究

1引言圆柱绕流是流动与传热领域的基本流动现象，也是历史悠久的研究课题。“经过多年的努力，人们已经获得了圆柱绕流的基本图象，积累了相当丰富的实验及分析资料，但有许多问题至今仍然是不解之谜[1]。在这些问题中，亚临界绕流时的绕流阻力具有重要的意义。在能源、化工、环保等工业领域大量存在的圆管外绕流，其绕流雷诺数大多在104数量级，为典型的亚临界绕流工况。在该雷诺数范围内，圆柱绕流阻力系数Cd≈1．2，处于较高水平。降低亚临界绕流圆柱的流动阻力将产生工业上量大面广的节能效益。为探索实用的流动减阻技术，必须对亚临界…     

翼型绕流的洛伦兹力控制机理

在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力,可提升翼型的升力减小阻力,然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率,为提高洛伦兹力的控制效率,需研究其控制机理.以翼型绕流的洛伦兹力控制为例,利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究.结果表明:洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降,升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系,但升力增加和阻力减小的规律不变,都是升力先急剧增加随后缓慢增加,而阻力先急剧减小然后再缓慢增加,基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小,随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力,导致升力减小和阻力增加,流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降,增加翼型升力和压差阻力;壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小,壁面压力变化起主导作用;洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大,洛伦兹力推力起主导作用,因此阻力减小.     

基于深度强化学习的近壁圆柱绕流控制

基于深度强化学习方法（deep reinforcement learning,DRL）,采用一对施加在圆柱表面的质量流量为零的射流,对Re=200,400,间隙比G/D=0.5,0.7,1.0,1.5,2.0的近壁圆柱进行主动流动控制研究。通过DRL方法获得不同参数下的射流控制策略与相应控制效果,并讨论了不同射流位置（90°,270°）、（90°,320°）、（90°,360°）对控制效果的影响。研究发现Reynolds数、间隙比和射流位置都对控制效果有重要的影响。射流位置为（90°,270°）时通过DRL控制可以有效降低阻力系数及其波动,控制后的圆柱尾迹被拉长且圆柱前后压差降低。射流位置为（90°,320°）和（90°,360°）的控制效果相似,都能使平均阻力系数有所降低,但控制位置的不对称性导致控制后的阻力系数波动较大。Reynolds数和间隙比的增大会增加控制射流的质量流量水平,在相同条件下,使用（90°,270°）的射流位置可以用相同的质量流量得到更好的控制效果。      

分隔板偏角对圆柱受力和脱涡频率的影响

钝体后安装分隔板是一种有效的被动控制技术,本文采用有限体积法对非稳态二维层流下的圆柱-分隔板结构绕流进行了数值计算。研究了中等雷诺数（Re=100～500）下,分隔板与来流方向存在夹角时（θ=0°～45°）的圆柱绕流特性。结果表明不同Re数下,圆柱阻力和升力系数等反映流动特性的参数随分隔板偏角而变化;阻力系数最小值对应...     

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.     

离体射流的位置对翼型气动特性的影响

为了改善风力机叶片流动分离现象,本文在雷诺数为1×106、来流攻角21°时研究了离体射流微小圆柱的分布位置对NACA0018翼型气动性能的影响.首先分别在翼型前缘前和上表面附近,研究离体射流微小圆柱的射流动量对翼型气动性能的影响,发现两种位置下翼型的气动性能都有所改善,其中上表面附近控制时效果更好;接着研究控制装置在上...     

仿生射流孔形状减阻性能数值模拟及实验研究

针对横流中的侧向射流能够减小仿生射流表面摩擦阻力问题, 建立仿生射流表面模型, 利用SST k-ω湍模型对不同射流孔形状的仿生射流表面模型进行数值模拟, 并对数值模拟结果进行了实验验证. 结果表明: 当射流孔的流向长度和展向长度不变时, 3号模型的折线形射流孔减阻效果最好; 将折线形射流孔简化为圆弧形, 当r=3–5 mm时, 减阻率随着射流速度的增大而增大, 当r=4 mm时减阻效果最好, 最大减阻率为9.51%. 减阻原因: 通过射流孔向横向主流场中注入射流流体, 改变了射流表面附近边界层的流场结构, 使得边界层黏性底层厚度增加, 垂直于射流表面的法向速度梯度减小, 从而减小了壁面剪应力; 低速的射流流体被封锁在边界层内, 降低了高速流体对壁面的扫掠, 达到了减阻目的.     

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.     

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.      

疏水表面减阻环带实验研究

针对疏水功能材料在流动减阻方面的应用, 选取典型不同粗糙度、不同疏水性的功能涂层表面, 通过新型环带实验研究了其阻力特性, 并获得了相应的扭矩和减阻率曲线. 实验采用测量圆盘带动环带旋转时的扭矩的方法间接计算环带表面所受的摩阻, 突破了传统微管道实验在尺度上的限制, 避免了水洞实验中影响因素过多的弊端, 对疏水材料的宏观应用有着重要意义. 实验证实了在宏观尺度下疏水涂层在低雷诺数时的减阻作用; 但在高雷诺数时, 减阻作用减弱, 甚至部分涂层有增阻作用, 而压差阻力的迅速增大是造成增阻的主要原因. 通过对比分析认为: 低雷诺数时, 疏水特性对于减阻效果影响更大; 而高雷诺数时, 粗糙度起更大作用, 甚至可能起到增阻的反效果. 关键词： 疏水表面 环带实验 粗糙度 减阻     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

冲击射流在凹坑壁面通道内的换热特性研究

采用热色液晶瞬态测温技术对航空发动机进气道支板的带凹坑壁面通道内表面开展冲击换热实验。研究了不同射流角度和射流雷诺数下通道内表面的换热特征。结果表明:沿流向在出气缝附近形成换热的高值区,在凹坑尾缘形成局部的高值区。凹坑壁面的换热要强于光滑壁面。随着射流雷诺数的增加,平均努塞尔数增大。当射流倾斜入射时,被冲击一侧换热较高,在驻点区域以及凹坑的尾缘换热最强,另一侧内壁面换热相对弱。射流角度30°时,被冲击面的换热最显著。在射流角度15°时,前缘附近的换热效果最强。     

高超临界雷诺数区间内二维圆柱绕流的实测研究

实测强风工况下高度167 m的徐州彭城电厂冷却塔的表面风荷载,并归纳历史上其他研究人员给出的实测结果,以丰富高超临界雷诺数(Re)区间二维圆柱绕流的试验成果.在低湍流度均匀流场和高湍流度大气边界层流场中分别开展4种风速8类粗糙度条件下的冷却塔刚性模型测压风洞试验,通过对比低雷诺数(Re=2.1×10~5—4.19×10~5)条件下的风洞试验结果和高雷诺数(Re=5.4×10~7—1×10~8)条件下的现场实测结果研究各种静动态绕流特征随雷诺数的变化规律,重点考察雷诺数无关现象的产生条件.研究结果表明,对于物表相对粗糙度在0.01以上的圆柱绕流,雷诺数不相关现象存在于很宽的雷诺数范围(2×10~5Re1×10~8)内;增大来流湍流度亦能引起的雷诺数无关现象,但此时该现象可能仅存在于一个较窄的低雷诺数范围内.     

电磁力滤波与快速反射镜光学补偿在潜航器光轴稳定控制中的应用

搭载在潜航器上的光电桅杆是光电跟瞄的重要装置.当潜航器在水下高速行进时,海水会在物体表面形成脱体边界层和涡街,涡街的生成和脱体会引起阻力和升力的大幅度波动,从而对光轴稳定性产生极大的扰动.本文首先基于电磁场和流体力学的基本控制方程,通过层次结构网格下的有限体积法探讨了电磁流体表面控制对潜航器绕流流场的影响和消涡减振效果;其次,分析并获得了快速反射镜(fast steering mirror,FSM)的结构特性、传递函数和PID控制策略;最后,以潜航器光路模型为研究背景,结合电磁流体的滤波特性和FSM的传递函数,论证了复合控制对潜载光电跟瞄系统稳定性提高的效果.结果表明,壁面流向电磁力能很好地调控潜航器绕流边界层,抑制涡激振动、减少光学系统的输入噪声,在此基础上通过FSM实现二次补偿,可以进一步提高光学系统跟踪的精度.本研究是电磁流体控制在光电领域的探索,也是对传统流体力学实验方法的拓展,因此具有一定的科学意义和实用价值.     

具有多孔介质覆面层的柱体绕流流场分析

建立多孔结构覆面柱体绕流模型, 采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对覆盖多孔介质层的方柱绕流进行数值模拟, 研究多孔介质对钝体绕流流场特性的影响。结果表明: 相比于不可渗透壁的柱体, 引入合适参数的多孔介质覆面层后可以有效降低其升力脉动幅值, 但阻力有所增加。同时, 较高雷诺数下多孔方柱的数值模拟表明: 多孔介质壁面使得尾迹区域的剪切层相距更远, 降低了尾流处湍动能, 并将雷诺应力的峰值移动到尾迹区域, 抑制了方柱两侧的动量交换, 使动量交换的位置发生在尾迹区域, 继而使得尾迹的涡街更加规则化。