斑海豹胡须涡激振动及其尾流循迹机理直接数值模拟

在视力和听力受到限制的条件下, 斑海豹可以通过具有特殊外形的胡须识别和追踪水中游鱼的尾迹. 从仿生学的角度, 对斑海豹胡须在尾迹流场中的振动特性和循迹机理进行研究, 有助于开发研制新型水下探测器. 本文采用嵌入式迭代浸入边界法,在雷诺数$Re=300$和折合流速$U_{\rm r}=6.0$的条件下, 对均匀流场和尾迹流场中斑海豹胡须模型的涡激振动进行直接数值模拟,研究了胡须模型的振动特征和尾涡结构, 并与具有相同等效直径的圆柱、椭圆柱的振动响应进行对比, 分析了不同结构外形对振动特性和尾涡结构的影响, 探讨了斑海豹胡须的感知能力和循迹机理. 模拟结果表明, 胡须结构具有显著的减阻、抑振作用, 在均匀流场中做微幅混沌运动, 这为斑海豹胡须感知提供了纯净的信号背景. 而在尾迹流场中,胡须结构的振动响应显著增强, 稳定且周期性好, 与其他柱体相比, 具有更高的信噪比和敏感度. 这揭示了斑海豹利用胡须振动识别和追踪水中游鱼尾迹的机理, 对于开发研制新型水下探测器具有重要借鉴意义.      

基于尾流时程目标识别的流场参数选择研究

浸入流场中的固体壁面会形成高度复杂且具有一定特征的尾流流场, 利用尾流所包含的信息对物体的外形特征进行识别具有重要的应用价值. 然而, 在较高雷诺数情况下尾流流场形态及其时序特征复杂, 难以通过传统的数学物理方法对流场信号进行特征的识别与提取. 本文提出了基于尾流时程数据深度学习的流场特征提取与分析方法, 实现了基于一点的物理量时程进行流场中物体外形的识别; 同时, 对流场中不同物理参数时程的识别精度与识别结果进行分析与研究, 得到适用于目标识别的最优物理量参数. 通过对圆柱和方柱的尾流数据研究结果表明, 本文提出的基于卷积神经网络的模型具有好的训练收敛性和高的预测精度, 能够识别并提取得到时程数据中包含的流场特征, 采用流场横向速度时程作为物体外形识别信号的模型准确率高. 证明了本方法用于浸入流场中物体外形识别的可行性, 是一种目标识别的高精度方法.      

返回舱高雷诺数再入过程底部流动稳定性

返回舱高雷诺数再入过程中存在肩部高热流、底部阻力无法准确预测以及非定常振动等问题,解决此类问题的关键是分离和转捩等物理现象的准确识别. 本文采用大涡模拟方法细致刻画了返回舱类钝体外形在高雷诺数再入过程中的分离和转捩等物理现象,获得了返回舱底部流动形态以及稳定性特征. 从肩部剪切失稳、底部流动结构失稳、尾迹发展区以及远尾迹区的耦合失稳等多个角度分析了返回舱外形的底部流动失稳机制.研究发现, 返回舱类外形底部流动稳定性主要存在两类失稳模式即肩部剪切失稳模式以及底部流动结构失稳模式,二种模式存在耦合效应, 同时在远尾迹湍流区域存在类卡门涡街的振荡行为.这些认识为理解返回舱外部扰动因素对底部流动的作用机理及返回舱稳定性控制提供了基础理论支撑.      

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述

为实现碳达峰、碳中和“3060”目标, 风能将在我国能源体系发挥重要作用. 风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素, 需在风力机布置和控制设计中充分考虑. 本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法, 包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法. 解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹, 但依赖于模型参数, 且不能或不能准确预测尾迹湍流特性. 结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征, 是流动机理研究的有力工具, 可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑. 接着, 本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理. 对于湍流来流, 叶尖涡主要存在于近尾迹. 蜿蜒是远尾迹的主要特征, 影响下游风力机的来流特征. 尾迹蜿蜒的产生有两种机制: 来流大尺度涡和剪切层失稳. 数值和观测结果显示两种机制共同存在. 机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响. 采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒. 研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性, 为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据. 当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹, 复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂, 现有工程模型无法准确预测, 有待深入研究.      

圆柱涡激振动的结构-尾流振子耦合模型研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta$的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast$值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态.在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.      

旋翼翼型动态失速流场特性PIV试验研究及L-B模型修正

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性,采用3D-PIV 技术,对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量,发现涡在不同位置处的输运速度不同:位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征,改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes,L-B）模型,将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数,修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%,力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%,与试验值相比更加吻合,表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.      

PIV EXPERIMENTS ON FLOWFIELD CHARACTERISTICS OF ROTOR AIRFOIL DYNAMIC STALL AND MODIFICATIONS OF L-B MODEL

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性,采用3D-PIV 技术,对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量,发现涡在不同位置处的输运速度不同：位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39,位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征,改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes,L-B）模型,将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数,修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%,力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%,与试验值相比更加吻合,表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.     

结构振动对湍流近尾迹的影响

研究了圆柱绕流中流体与结构的相互作用,侧重结构振动对湍流尾迹的影响,用激光测振仪测量圆柱在升力方向的位移;用热线和LDA（二维）测量湍流的近尾迹,通过变化自由流的速度和圆柱体直径（特征尺寸）来变化雷诺数,用两个振动特性不同的（一个相对刚性,一个相对弹）圆柱来产生尾迹,研究固体结构振动对湍流近尾迹的平均速度场和湍流场的影响,结果表明,结构自由振动对湍流近尾迹场影响明显,该影响随雷诺数的变化不明显。     

大型海上风力机尾迹区域风场分析

随着世界范围内海上风电场的不断兴起及海上风电场设计规模的日趋庞大,大型海上风力机尾迹区域风场特征的研究对于海上风电场的优化布局有着重要的指导意义。本文基于三维Navier-Stocks控制方程和适用于旋转流场分析的RNGk-ε湍流模型,采用滑移网格技术对美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW海上风力机的性能及其尾迹区域的风场特征进行了较为系统的数值模拟。通过将不同风速下风力机输出功率的数值结果与NREL的设计参考数据进行对比,三维数值模型的有效性得到了很好地验证。此外,在此基础上进一步研究了大型海上风力机额定风速下及不同风轮转速下尾迹区域平均风速的分布特征,并得到了一系列具有参考价值的重要结论。     

弹性层内部有集中力的精确解

利用Ｈａｎｋｅｌ变换及矩阵理论，获得了位于水平刚性基础上的弹性层在其内部受垂直于边界的集中力作用了的精确率，推广了已有的结论。Ｋｅｌｖｉｎ解，Ｍｉｎｄｌｉｎ解及弹性层表面受集中的用的解都是其特殊情形下的结论。     

AN ANALYTICAL DESIGN METHODOLOGY FOR AN ANNULAR COMBUSTOR

SUMMARY

This paper describes a computational procedure for the optimization of the performance parameters of a simulated annular combustor. This method has been applied to analyze the influence of the performance parameters and geometries on the annular combustor characteristics and provide a good understanding of combustor internal flow fields, and therefore it can be used for guiding the combustor design process. The approach is based on the solution of governing nonlinear, elliptic partial differential equations for 3-D axisymmetric recirculating turbulent reacting swirling flows and the modelling of turbulence, combustion, thermal radiation and pollutant formation. The turbulence effects are introduced via the modified two-equation κ-ε model. Turbulent combustion is modelled using the κ-ε-g model and a two-step turbulent combustion model is employed for the excess emission of carbon monoxide CO. For the evaluation of the NO pollutant formation rate, the NO pollutant formation model, which takes into account the influence of turbulence, presented here. The radiative heat transfer is handled by the heat flux model. The predictions of the combustor character-istics and performance parameters are made using the present approach.

Predictions of velocity, length of the recirculation zone, combustion efficiency and wall temperature are compared with measurements. Agreement between the predictions and experimental data is very satisfactory.     

对边夹支无限长板受法向荷载的解析解

本文用积分变换和留数理论得出了对边夹支无限长板受法向荷载的解析解。     

倾斜轨道电动力绳系卫星回收控制

考虑电动力影响,建立了倾斜轨道绳系卫星系统的动力学模型,研究了子星回收过程的非线性最优控制. 应用Legendre伪谱算法,将连续时间最优控制问题离散化,进而利用非线性规划方法进行求解,通过数值模拟验证了方法的有效性. 结果表明,在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力和电动力,可将子星回收到靠近主星的指定位置.      

压电材料椭圆夹杂界面开裂问题的电弹性耦合解

本文研究了在反平面剪切和面内电场的共同作用下，压电材料椭圆夹杂的界面开裂问题，假定夹杂是刚性的导体，采用复变函数保角变换和级数展开方法，可确定压电材料基体的复势表达式，进而求得夹杂界面开裂的电弹性耦合的能量释放率。     

含刚性椭圆夹杂的弹性平面奇异解

运用复变函数方法,求解了含刚性椭圆夹杂的无限弹性平面在任意位置作用集中力和集中力偶的问题,导出了界面应力公式,绘出了应力分布曲线。     

一种单元谐波平衡法

基于有限元离散,对于工程中的非线性响应问题,提出一种单元谐波平衡法．与常规的谐波平衡法不同,本文将谐波平衡方程建立在有限元素上,从而兼顾了有限元素法和常规谐波平衡法两大优势．有限元技术的应用能使得求解问题的范围扩大到复杂工程结构,而谐波平衡概念的使用将使得含有复杂变形和复杂本构关系的动力学响应问题得到有效解决．所提方法能适用于工程结构中具有复杂非线性关系的动力学响应问题．由于谐波平衡法的实施依赖于谐波系数方程及其切线刚度矩阵的解析推导,尽管已经局限到有限元素上,但对于较为复杂一些的本构关系,推导仍非易事．为解决这些问题,放弃通常对于变形梯度和应变张量所作的向量假设,而是从连续介质力学中基本的几何关系入手,提出一种矩阵分解形式．通过利用张量的内蕴导数定义以及关于迹函数的有关性质,给出应力增量的一种新的表现形式．当它与变形梯度的矩阵分解相结合时,使得切线刚度矩阵的导出变得十分简单,而且所得计算形式也比通常紧凑和方便许多．