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。     

扰流板作用下湍流/非湍流界面特性

在零压梯度平板湍流边界层流动中安装垂直流向高度为h的扰流板,诱导流场产生横向涡,研究横向涡影响下湍流/非湍流界面特性沿流向的发展。结果表明,在本实验条件下,整个流动经历了从湍流边界层到流动分离和再附,再向湍流边界层恢复的过程。在扰流板下游约18h距离后,扰流板尾迹的影响逐渐衰退,壁面剪切对湍流强度的贡献开始逐渐恢复,在扰流板下游约55h距离后,湍流边界层再次充分发展。与此同时,由于扰流板后流场流动结构拟序性的增强,湍流/非湍流界面的分形维度受扰流板影响而减小,表明脱落涡有使界面多尺度特性、三维性减弱的趋势。此外,界面高度的概率密度分布受扰流板影响呈现显著的右偏,主要与扰流板增强喷射运动强度,使得界面更容易抬升相关。流动结构及界面特性受扰流板影响后的流向演化有同步变化的模式,扰流板对界面特性影响主要集中于（-5~18）h的流向范围。      

高超声速平板边界层/圆柱粗糙元非定常干扰

以高超声速表面湍流控制为应用背景,平板/粗糙元干扰流动为模型,采用大涡模拟方法研究粗糙元流场干扰作用机理.分析粗糙元外形特征对于流动稳定性影响,给出其引起的流动表面参数的变化规律.结果显示超声速边界层在粗糙元作用下产生强逆压梯度并发生分离,粗糙元高度对高位自由剪切层失稳有明显影响,低粗糙元干扰下游流动稳定性,而高粗糙元剪切层发生流向失稳,形成涡串结构;同时粗糙元干扰导致下游摩阻和热流系数较平板略低,可能应用在进气道降热和减阻中.     

前缘形状对钝三角翼边界层稳定性及转捩的影响

选择典型高速流动条件,基于线性稳定性理论研究了不同前缘几何特征对典型大后掠角平板钝三角翼外形高速边界层流动稳定性及转捩的影响.研究表明,椭前缘（截面为椭圆）形状的变化仅影响前缘附近的流场特征和边界层流动稳定性;前缘截面长短轴比（形状因子）变大,前缘形状变尖,则横流速度变大,扰动波增长率变大;对于横流模态和第1模态,不同频率扰动波的中性点流向位置随着前缘形状因子变大而后移;对于第2模态,不同频率扰动波中性点的位置基本不变.转捩由第1模态主导,前缘形状因子变大,转捩流向位置后移.      

一种带前输出轴的直升机进气道性能试验研究

本文针对带有前输出轴直升机进气道结构特点,以实验的方法,着重研究在悬停与前飞状态下的直升机进气道流场特性,测量并分析了沿程静压分布、进气道出口截面流场畸变指数、总压恢复系数等进气道性能参数。结果表明,此类进气道在悬停与前飞状态下进气道内均存在某种程度的气流分离,在悬停状态时总压损失和出口流场畸变都不大,但在前飞状态时由于自由流直接进入进气道外侧,使得出口流场畸变变大,且随着前飞速度的增加出口流场不断恶化。     

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。     

平直水翼梢隙流动的直接数值模拟研究

本文对真实湍流入口条件下的梢隙流动进行直接数值模拟研究,来流湍流边界层动量厚度雷诺数为800。水翼采用NACA0012水翼,水翼攻角为8°,选取经水翼弦长无量纲化后的梢隙宽度为0.0167和0.0333。研究发现,梢泄涡仅在较大梢隙宽度条件下的水翼吸力面才出现,而当梢隙宽度较小时在水翼吸力面侧近端壁处形成回流区。吸力面侧回流涡沿流向存活时间较短,而梢泄涡沿流向发展直至水翼尾缘及其下游。在上述两工况间存在着一临界梢隙宽度,使得梢隙流动由回流向梢隙射流转变。     

前缘弯掠风扇叶尖涡的数值分析与PIV实验

本文采用三维Navier-stokes方程、κ-ε两方程湍流模型和SIMPLE算法,对空调用前缘弯掠开式斜流风扇转子叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析与PIV实验测量。结果表明:沿子午面流动的主气流与从叶顶外侧吸入的气流之间的卷吸作用导致在吸力面叶顶区域产生了叶尖涡。叶尖涡从25％叶顶弦长位置到50％弦长位置不断发展,同时沿吸力面向下游移动;叶尖涡随后逐渐向压力面移动;叶尖涡从75％叶顶弦长位置至转子下游逐渐耗散,沿着一条与叶轮旋向相反的斜线向转子下游发展,大致持续到转子下游65％叶顶弦长位置。计算结果和PIV的实测结果吻合,表明用 CFD工具可以预测流场,同时为前缘弯掠开式斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪提供了重要的内流数据。     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

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.      

EFFECTS OF THE PITCH OF IN-LINE DELTA WINGLET VORTEX GENERATORS ON HEAT TRANSFER OF A FINNED THREE-ROW FLAT TUBE BANK

The naphthalene sublimation technique via the heat and mass transfer analogy is used to study the effects of the pitch of in-line delta winglet vortex generators on heat transfer and pressure drop of a finned three-row flat tube bank. The results show that the pitch of the in-line vortex generator has a strong effect on the heat transfer performance. The optimal pitch depends on the performance evaluation criteria. With the configurations considered in this article, for identical pumping power or combined constraint, a small pitch of 0.33 is best; for the identical pressure drop constraint, a value of 0.42 is best.     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

Detection of separation in S-duct diffusers using shear sensitive liquid crystals

In the present experimental investigation, shear sensitive liquid crystals have been successfully used to study the flow characteristics and detect separation in two-dimensional Sduct diffusers of different curvatures. Tapered-fin vortex generators in two different orientations were used to control flow separation that was observed on one of the curved walls of the diffuser. The results were verified by conventional oil flow visualization technique and excellent agreement was observed. In addition to visualization, detailed measurements that included wall static pressure, skin friction, diffuser exit total pressure and velocity distributions were taken in a uniform inlet flow with Reynolds number of 3.49 × 10⁵. These results are presented here in terms of skin friction distribution, distortion and total pressure loss coefficients. The extent of the separation zone (in terms of intensity of red distribution) in the diffuser with and without vortex generators (in both configurations) compared well with the Preston tube measurements. The present study demonstrates that shear sensitive liquid crystals can be efficiently used to study the flow physics in complex internal flows. In addition, the results also indicate that shear sensitive liquid crystals can be effectively used not only as flow visualization tool but also to gain quantitative information about the flow field in internal flows.     

低速热射流剪切层光学性质主动控制研究

分别对稳定、基波和亚谐波周期扰动入口边界条件的二维欧拉方程进行了数值模拟,得出了射流剪切层中大涡结构的空间演化特征,计算了不同入口边界条件时的流向斯特列尔比,从而提出了对流场进行主动控制的光学意义。     

一维周期与准周期排列沟槽结构的流体减阻特性研究

本文设计了具有相同平均沟槽密度的三种排列类型的一维沟槽结构: 密排列、周期间隔排列和两种准周期间隔排列, 并采用数值模拟和实验验证相结合的方法研究了一维沟槽结构在不同排列下的流体减阻特性. 模拟计算分析流场特征和总阻力, 发现相对于密排列和周期间隔排列的沟槽结构, 准周期间隔排列具有更好的减阻特性, 并且这一结果得到减阻实验的验证. 通过流场分布特性进一步分析沟槽结构的减阻机理. 机理分析发现高速流在经一维准周期结构的扰动波调制后形成了准周期间隔排列的速度条纹相, 这有效地抑制了大涡在流向和展向上的形成, 从而实现较大幅度的减阻. 同时对比分析沟槽排列结构调制展向涡和流向涡各自对流动减阻的贡献, 结果表明, 调制流向涡对减阻的作用更大. 关键词： 流体减阻 沟槽结构 准周期     

A hybrid CFD/characteristics method for fast characterization of hypersonic blunt forebody/inlet flow

A hybrid CFD/characteristic method(CCM) was proposed for fast design and evaluation of hypersonic inlet flow with nose bluntness, which targets the combined advantages of CFD and method of characteristics. Both the accuracy and efficiency of the developed CCM were verified reliably, and it was well demonstrated for the external surfaces design of a hypersonic forebody/inlet with nose bluntness. With the help of CCM method, effects of nose bluntness on forebody shock shapes and the flowfield qualities which dominate inlet performance were examined and analyzed on the two-dimensional and axisymmetric configurations. The results showed that blunt effects of a wedge forebody are more substantial than that of related cone cases. For a conical forebody with a properly blunted nose, a recovery of the shock front back to that of corresponding sharp nose is exhibited, accompanied with a gradually fading out of entropy layer effects. Consequently a simplification is thought to be reasonable for an axisymmetric inlet with a proper compression angle, and a blunt nose of limited radius can be idealized as a sharp nose, as the spillage and flow variations at the entrance are negligible, even though the nose scale increases to 10% cowl lip radius. Whereas for two-dimensional inlets, the blunt effects are substantial since not only the inlet capturing/starting capabilities, but also the flow uniformities are obviously degraded.     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

ILES for mechanism of ramp-type MVG reducing shock induced flow separation

A high order implicit large eddy simulation (ILES) is carried out to study the mechanism of shock induced flow separation reduction under ramp-type MVG control. The mechanism was originally considered as that MVG can generate streamwise vortices which strongly mix boundary layer and the boundary layer becomes more capable to resist strong adverse pressure gradient caused by shock and to keep the boundary layer attached. However, according to our ILES, a chain of ring-like vortices is generated behind the ramp-type MVG and goes further to interact with the shock. When the ring-like vortices pass through the shock, the shock wave is weakened and altered while the vortex structures are quite stable. The instantaneous simulation shows that the spanwise ring-like vortex, not the streamwise vortex, plays a key role to weaken the shock and reduce the shock-induced separation. Detailed investigation on ring-like vortices and shock interaction will be given in this paper.     

叶片弦向倾斜对损失发展的影响及叶片反弯降低损失机理的研究

早在六十年代初期,Ｓｍｉｔｈ提出了弦向倾斜叶片￣［１］。叶片的这种倾斜集叶片的后掠（叶片展向与气流不垂直）和上反（叶片表面与端壁斜交）于一身。根据理论分析可知,弦向倾斜叶片与周向倾斜叶片比较,在相同倾斜角下,它更能有效地抑制通道涡的形成和发展￣［２］。但是,到现在为止还没有实验数据证实这一计算结果。本文继文献￣［３］详细测量了弦向倾斜叶片叶栅由栅前至栅后诸截面上的气动参数。实验结果表明,弦向倾斜对损失的发展起到了与周向倾斜相类似的作用,但是前者比后者减小了叶栅进口段的流向逆压梯度,从而降低了二次旋涡损失。本文还测量了大转角常规直叶栅与反弯叶片叶栅端壁与叶片表面上的静压分布,探讨了反弯叶片降低损失的原因,认为：减小叶栅进口段流向逆压梯度,在叶片吸力面前部形成垂直于端壁的平行静压等值线、在中部形成反“Ｃ”型静压等值线,以及在流道内建立沿叶高的反“Ｃ”型静压分布,是反弯叶片降低损失的三要素。     

纵向涡强度衰减及其干涉的数值分析

本文以空气为介质,在Re=600-2100的范围内对布置有三角翅片的平行通道内的初始段层流状态下涡干涉的流动及换热进行了数值模拟。展示了旋向相反的涡在流道中的产生及发展情况,说明了涡产生器在横向位置变化时对横截面上平均Nu数和涡旋强度(?)的影响,并对单个涡产生器的有效换热区域长度进行了探讨。