旋涡与行进表面水波相互作用的实验研究

采用振动板式造波器在二维水槽中生成近似单色的行进表面水波，采用夹板式涡发生器生成稳定上浮的涡对，在Ｆｒｏｕｄｅ数约为０．５的条件下，得到了水下涡对与不同波长和振幅的行进表面水波相互作用时的干扰图象，以实验方法验证了理论分析和数值计算的结果，并为进一步研究旋涡与行进表面水波的相互作用提供了一种实验研究方法     

旋涡与水面相互作用研究

采用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的有限差分数值解来研究水下生成的旋涡在浮升过程中与水面的相互作用，旋涡的初始模型为Ｏｓｅｅｎ涡。数值模拟给出了在旋涡与水面相互作用过程中，水面形状和涡量场的演化，还讨论了Ｆｒｏｕｄｅ数、Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数和Ｗｅｂｅｒ数对水面变形的影响。     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组，采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscous-flow and turbulence)，模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF₆界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明，初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前，非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大；反射激波加载后，非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步，定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外，还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比，发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用，使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

旋涡、湍流与自由表面的相互作用

旋涡及自由表面湍流与自由表面的非定常、非线性相互作用是当前流体力学中一个十分活跃的前沿领域的研究课题,它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．旋涡、湍流与自由表面的相互作用是一个非常复杂的非线性、非定常过程,涉及到涡－涡、波－涡相互作用,旋涡在自由表面处的断裂、重联、合并及自由表面湍流中的准拟序结构的形成、发展等复杂动力学过程．关于这一领域的研究已经取得了一些重要成果．对旋涡与自由表面的相互作用的基本过程有了较为清楚的认识;但对湍流与自由表面的相互作用中的许多基本物理过程还知之甚少．本文综述此领域的实验、理论和数值模拟研究的最新进展和主要结果,讨论若干有待解决的问题,并指出进一步的研究方向      

受地求旋转作用的小Froude数过山气流

在小Ｆｒｏｕｄｅ数的过山气流中，常在迎风坡上出现流阻塞，北风坡之上出现波碎碎区。因此，即使上游Ｒｏｓｓｂｙ数很大，在这两个局地的滞流区域内Ｒｏｓｂｙ数仍很小，柯氏力作用很重要。本文分别就无地表摩擦和有地表摩擦两种他地求旋转对小Ｆｒｏｕｄｅ数过山气流的作用。结果表明：地球旋转作用使得过山气流周期振汇，有利于背风坡上强下坡风和波破碎现象的出现，抑制迎风坡上气流阻塞的发生。而且对于存在地表摩擦作用情形，     

后台阶流动的数值模拟

访述了大涡模拟的基本思想，指出大涡模拟的效率主要取决于四个因素，即流动中须有大尺度涡存在、合理的计算格式、合适的滤波器和亚格子应力模型。在深入考虑粘性不可压缩流Navier—Stokes方程各个子项作用的基础上，提出二阶全展开Euler—Taylor—Galerkin有限元方法作为大涡模拟的离散格式，并采用Gauss滤波器，对典型算例——后台阶处的流动进行大涡模拟，计算结果与相关文献符合的很好。从计算结果还可以看出大涡模拟与二阶全展开ETG有限元方法的结合在捕捉涡系及反映涡动时变过程方面具有明显的优势，说明大涡模拟适合于边界几何形状复杂区域流动的模拟。同时应用二阶全展开ETG有限元方法对低雷诺数粘性不可压缩后台阶流动进行了计算，得到与相关文献符合良好的计算结果，即该方法也可独立用于对低雷诺数粘性不可压缩流动的计算。     

用扰动涡方法模拟叶轮机内动静叶的相互作用

发展了一种研究叶轮机内动、静叶间的相互作用的新方法———扰动涡方法，它利用全三维的定常解为基础解，并由此给出非定常扰动场的初始解．为计算叶片对扰动场的响应过程，采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程，用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程．发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷．利用该方法计算轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程，与实验的对照表明，模拟结果与实验数据吻合得相当好，从而说明本文发展的方法是可信的，为更直观地描述尾迹等非定常因素的流动及叶轮机内的掺混问题提供依据．     

非平整运动海底上n层流动中波浪传播的Hamilton逼近

在海洋水域，界面波对大尺度变化流的作用是一种典型的分层流动现象．考虑一不可压缩、无黏的分层势流运动，建立了一个在非平整运动海底上的n层流体演化系统，并对其进行了Hamilton描述．每层流体具有各自的常密度、均匀流水平速度，其厚度由未扰动和扰动部分构成．相对于顶层流体的自由表面，刚性、运动的海底具有一般地形变化特征．在明确指出n层流体运动的控制方程和各层交界面上的运动学、动力学边界条件(包含各层交界面上张力效应)后，对该分层流动力系统进行了Hamilton构造，即给出其正则方程和其下述的正则变量：各交界面位移和各交界面上的动量势密度差。     

虚拟时变微下击暴流的数值仿真方法

为了生成虚拟飞行仿真中的微下击暴流风场,本文提出了一种基于涡环原理的工程化非对称时变微下击暴流模型。考虑了空气粘性的作用,建立了有限粘性涡核模型,解决了诱导速度在涡核内分布不连续的问题。采用湍流自由射流理论求解涡环中心轴处诱导速度,避免了奇异值的产生。考虑造成涡环运动的因素,建立了随时间变化的非定常涡环模型。仿真结果表明:与解析法相比,本文采用的数值方法所耗机时短(仅需0.3871s),所得结果与解析法结果完全一致,计算结果精确;且得出的微下击暴流风场的分布与真实情况类似,可满足实时飞行仿真的需要。本文结果可为虚拟飞行实验提供一定的理论参考。     

方柱的涡脱落频率及端部影响的风洞实验

本文报告了用压力传感器测量方形柱体涡脱落的实验方法和结果。实验在大气边界层风洞进行。方柱的截面为正方形，高宽比为５。压力传感器在测试前经过严格的标定。测量结果表明，随着来源速度沿高度的变化，方柱的涡脱落频率也随高度而变，而且，在柱体端部附近，涡脱频率和Ｓｔ数发生明显的抑制。和二维柱体一样，在一定的Ｒｅ数范围内，三维柱体的Ｒｏ数与Ｒｅ数也存在一种线性关系。     

圆射流中拟序涡配对的数值模拟

用三维涡丝法结合涡丝的增加与合并技术,对不可压圆射流场,数值模拟了在扰动中加入次谐波后流场拟序涡的配对,配对情况与实验结果一致,通过对不同时刻涡量图的比较与分析,给出了次谐波初始强度对涡配对的影响,初始强度越大,涡配对出现越早,涡配对位置越往上游移动;同时还得到了基波与次谐波初始相位差和涡配对的关系,没有相位差时,次谐波增长最快,相位差增加时,涡配对的速度降低。说明控制次谐波的初始强度和基波与次谐波的相位差,能起到控制圆射流剪切层乃至控制整个射流场的目的。     

基于FTM方法的二维Kelvin-Helmholtz不稳定性数值模拟

使用界面跟踪法FTM(Front Tracking Method)对二维不混溶、不可压缩流体的K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性进行数值模拟。研究表明,速度梯度层越厚,界面在水平分量中移动越快,卷起越少;初始水平速度差越大,界面卷起越多,内扰动增长速度越快,K-H不稳定性的特征形式更加明显;此外,在Neumann边界条件(即无滑移边界条件)下界面的扰动发展得比Dirichlet边界条件(即对称边界条件)下的扰动快。由于Dirichlet边界中的边界层,在开始时刻涡量扩展到两侧,影响了K-H不稳定性的生长速率;而在Neumann边界条件下涡量由于初始水平速度差,在界面中心聚集。最后,研究了不同边界条件下各种理查德森数对K-H不稳定性的影响。     

基于FTM方法的二维Kelvin-Helmholtz不稳定性数值模拟

使用界面跟踪法FTM（Front Tracking Method）对二维不混溶、不可压缩流体的K-H（Kelvin-Helmholtz）不稳定性进行数值模拟。研究表明,速度梯度层越厚,界面在水平分量中移动越快,卷起越少;初始水平速度差越大,界面卷起越多,内扰动增长速度越快,K-H不稳定性的特征形式更加明显;此外,在Neumann边界条件（即无滑移边界条件）下界面的扰动发展得比Dirichlet边界条件（即对称边界条件）下的扰动快。由于Dirichlet边界中的边界层,在开始时刻涡量扩展到两侧,影响了K-H不稳定性的生长速率;而在Neumann边界条件下涡量由于初始水平速度差,在界面中心聚集。最后,研究了不同边界条件下各种理查德森数对K-H不稳定性的影响。     

基于相交不稳定性的尾流自消散机翼实验研究

飞机尾流是复杂的流动现象,相关控制的研究常采用简化模型,抓住主要矛盾进行尾流不稳定性的学术探索. 采用结构化矩形机翼模型,通过添加扰流片来模拟襟翼的一种作动方式,引入一对与主翼涡反向的小涡,以期诱发尾涡的瑞利-路德维希相交不稳定性. 改变模型在水槽中的拖曳速度以及机翼攻角,采用粒子图像速度场仪定量研究单主翼尾涡发展特性以及双涡相互作用特性. 研究表明,未添加扰流片时,尾涡环量在45 个翼展内相对于初始环量衰减了10%;而添加了扰流片的实验中,在较好的实验参数组合情况下,主翼尾涡环量较初始环量降低35%~45%. 结果表明添加适当扰流片产生的反向小涡能诱发与主翼尾涡的相交不稳定性,在尾流涡系中引入自消散机制,加速机翼尾涡的消散过程,达到提早消弱尾涡的目的.      

再冲击载荷作用下流动混合的数值模拟

基于多介质的流体体积分数VOF（volume of fluid）方法和PPM（piecewise parabolic method）方法,给出和发展了可用于多介质粘性流体动力学的数值计算方法和计算代码MVPPM（multi-viscosity-fluid piecewise parabolic method）。为了检验和验证此计算代码,对某激波管实验再冲击载荷作用下的流体动力学不稳定性及其导致的混合过程进行了数值模拟,计算结果与实验结果一致。同时还研究了激波反射冲击作用下流体混合区的演化情况,在反射激波和混合区相互作用的瞬间,混合区的宽度明显减小,之后又迅速增大;另外,混合增长率与初始扰动的频谱有很大关联。通过对有粘性（分子动力学粘性）和无粘性结果的对比,发现粘性对混合区的影响很小。     

等热流密度加热垂直下降液膜的研究

利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明，模型方程在小到中等Reynolds数下都适用，并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加，展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加，随着Reynolds数增加而减小，流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明，在等热流密度加热条件下，液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构，液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强；在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强，液膜会提前破裂；在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时，液膜的换热会增强，但不会提前破裂；在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时，换热会加强且液膜会提前破裂。     

二次涡与卡门涡形成过程

本文用离散涡位流理论与边界层理论相结合的方法,同时考虑到边界层及后剪切层分离的离散涡模型,研究并计算了圆柱非定常运动过程中二次涡的发生、发展与影响。研究了对称主涡发生运动不稳定性的直接原因和条件,分析卡门涡的形成过程。本文提出,在二次涡的影响下对称主涡从有涡量补充的非自由涡变为没有涡量补充的自由涡,这是对称主涡发生运动不稳定性的条件,在小扰动影响下可诱发成卡门涡。 本文考虑不可压、大雷诺数、层流情况。所得结果与流场显示结果十分相似。     

介质参数反演的广义射线近似方法

在对无粘性介质参数反演问题进行的研究中，引入一种全波场广义射线近似形式，提出一种新的反演参数的方法，文中，首先对由弹性波动方程演变成的声波方程进行分析，引入背景场量和扰动量，并结合Ｇｒｅｅｎ函数理论，得到了介质参数的积分方程；然后结合前人对非均匀介质中波函数局部理论的定性分析，引入一种全波场广度射线近似形式，把问题归结为一个第一类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程；最后对半空间问题层状介质模型进行了反演，算     

三车道宏观交通流模型和扰动演化的数值研究

随着城市交通设施的完善,多车道在城市高速路交通中变得比较普遍. 三车道的出现使车辆变道易于实现,这就增加了交通问题的复杂性. 采用宏观交通流理论,建立了一种允许车辆变道的单向三车道连续交通流模型,以及与之相容的差分离散格式. 数值模拟了初始密度、扰动强度、初始扰动范围等因素对扰动传播和发展演化的影响. 结果显示:扰动波的传播方向和传播速度主要由初始未扰动车流密度大小决定;初始扰动范围的大小对扰动波幅值变化的影响比较大;某一条车道发生的扰动是否会影响其他车道,则受初始车流密度和扰动强度大小两个条件影响;在中等密度多车道交通流中,扰动波的发展过程呈现出复杂的非线性特征,数值格式的选择比单车道更加困难.      

平面可压基频涡卷非线性演化行为数值研究

采用高精度迎风/对称紧致混合差分算法,对可压自由剪切层转捩区中的几种典型展向大尺度涡作用型态进行了直接数值模拟,通过施加给定来流条件下的线性最不稳定黏性基频扰动及其亚谐扰动,以被动守恒标量技术给出了基频涡卷的饱和、撕裂、融合以及三涡对并等细节结构。分析显示,亚谐振动相差是促生基频涡卷不同非线性演化过程的重要因素之一,可对扰动量的发展变化,以及剪切层厚度和混合效率产生直接影响,计算结果同实验流动显示图像十分相似,表明了主导线性扰动的非线性耦合效应与一些实际涡作用行为间的内联系。