超声速平面混合层小激波的形成与演变

为了揭示超声速混合层中小激波形成机理及其与涡相互作用的演变过程,本文基于大涡模拟（LES）方法,结合五阶精度混合TCD／WENO格式,对超声速平面混合层在对流马赫数为Mc=0．65条件下的流场结构进行了数值模拟,数值结果详细描述了超声速混合层中小激波的形成过程。研究了小激波形成后,随涡运动而产生的变形、脱落及发展过程。同时,对混合层双涡合并过程中,小激波与相邻涡相互作用所产生的变形与演变过程进行了讨论。     

混合层流动拟序结构的大涡模拟

采用大涡模拟方法对空间发展的二维平面混合层进行了数值模拟 ,动量方程采用分步投影法求解 ,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟 ,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解 ,同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了混合层流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程 ,成功地模拟了混合层发展中的各种瞬态细节过程 ,如涡的卷起、增长 ,涡与涡之间的配对、合并过程 ,以及大涡破碎为小涡的级联过程 ,为各种以混合层流动为原型流动的射流、尾流等工业流动的控制和优化提供了理论基础。     

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

带展向曲率的超音速混合层中扰动演化的研究

超音速混合层的流动不稳定性较之亚音速或不可压的混合层大大减弱，为了提高混合效率， 通过数值模拟的方法分别研究了展向曲率、展向速度、来流马赫数等因素对混合效率所 起的作用. 计算结果表明：在给定展向速度的情况下，带有展向曲率的三维混合层，曲率越 大三维扰动增长率越大，而且法向的卷起范围也越大. 当展向曲率不为零时，展向速度的增 大也能有效地增强混合能力. 由流场中的高频扰动波产生的涡，在向下游发展过程中会有破 碎、拉伸，低频扰动波没有发现这一现象. 对于有展向曲率和展向速度的混合层，提高来流 马赫数时，流场中最不稳定扰动的增长率仍很大. 因此，这是一种提高混合层混合效率的新 途径.     

不稳定波辐射噪声

本文通过系统的实验证明在低马赫数时射流中的不稳定波对于噪声辐射具有重要的贡献。不稳定波辐射噪声的主要特点表现为:当射流上游条件充分乾净时远场声谱中有一族离散的谱峰,峰值频率对应于射流中She-laycr modes的特征频率和它们的干涉频率;各特征频率的声源位置和相应的混合层中的涡对卷并位置重合;远场声辐射呈天线效应;声源位置固定,无多善勒频移。     

可压缩混合层中细光束畸变效应的实验研究

利用双曝光CCD相机成像技术,对小直径光束穿越可压缩混合层流场存在的大尺度结构特性及其引起的气动光学效应进行了实验研究。实验研究结果表明:在不同对流马赫数(Mc=0.17,0.45)下,可压缩混合层中的大尺度结构形状不同,因而具有不同的折射率分布场,从而导致光束投影发生了不同程度的变形和偏移。利用光束质心的概念定量分析了不同对流马赫数下光束偏移和抖动的统计特性。统计结果表明在高对流马赫数下光束投影的偏移量减小,光束沿流场展向的平均偏移角度减小,但摆动幅度加大。     

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

化学反应对超音速混合层发展的影响分析

超音速混合层流动发展的研究对于了解超音速燃烧过程具有重要意义.基于耦合详细化学反应动力学机理的高精度数值模拟,分析了化学反应对超音速混合层发展过程的影响.主要分析了在两种燃烧状态下化学反应对混合层的演化过程和混合层厚度的影响.此外从涡动力学角度,分析了化学反应对混合层厚度的影响机理.     

化学反应对超音速混合层发展的影响

超音速混合层流动发展的研究对于了解超音速燃烧过程具有重要意义.基于耦合详细化学反应动力学机理的高精度数值模拟,分析了化学反应对超音速混合层发展过程的影响.主要分析了在两种燃烧状态下化学反应对混合层的演化过程和混合层厚度的影响,此外从涡动力学角度,分析了化学反应对混合层厚度的影响机理.     

超声速中等欠膨胀冲击射流的涡声关系研究

使用大涡模拟方法对冲击面为平面的超声速中等欠膨胀冲击射流进行了数值模拟.利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-Kutta法. 通过与经典的冲击射流实验比较,证实了程序的可靠性. 数值模拟得到了流场中不同尺度的涡结构和激波结构,观察到了上行声波和反射波以及流场中不同位置的声源,分析了冲击区剪切层附近区域的压强和涡旋转强度变化的频率、冲击平板上的压强变化频率以及射流剪切层中不同位置的涡合并出现的频率,发现冲击区剪切层附近区域的压强和涡强度变化以及射流剪切层中的涡合并现象和离散频率的冲击单音有重要关联.      

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放, 流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程. 在转捩初期, 获得了${\it\Lambda}$涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象, 大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期, 大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构, 混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.      

超声速混合层中扰动增强混合实验

以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering, NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层($Mc=0.5$)的混合增强效果. 首先通过系列实验优化设计了扰动参数. 实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感. 二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展. 总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动. 由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.      

混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定

用有限差分方法求解三维Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和连续性方程，对时间发展的平面混合层中流向涡的产生原因进行了分析．将Ｒａｙｌｅｉｇｈ的轴对称无粘离心不稳定理论推广应用于分析混合层的二维基本流，并导出一无量纲量Ｒａｙ＝－（ｒ／νθ）νθ／ｒ，其中νθ为一流体质点相对于平均速度的速度，ｒ为该质点迹线的曲率半径．当Ｒａｙ＞１．０时就会发生离心不稳定．采用这一判别式后发现混合层中展向涡的周围，尤其是在辫带区，的确存在离心不稳定区域，而过去的实验结果也表明三维不稳定产生于展向涡之间的辫带区．因此有理由认为，除非雷诺数特别小，离心不稳定是流向涡产生和发展的主要原因     

冲击射流中反馈环机理的再研究

冲击射流的噪声抑制对于研究短程起飞和垂直起降飞行器(STOVL)是极其重要的. 为了研究冲击射流噪声尤其是冲击单音与涡结构尺度之间的关系以及反馈声波的上传方向,采用小波分析技术和``声类比'方法来分析冲击单音的传播方向. 研究中用到的冲击射流的速度场由PIV技术给出,冲击单音的频率通过噪声场的测量获得. 利用双正交小波变换来提取冲击射流速度场中含有的波动信息,结合冲击单音的频率特性对噪声场进行研究.研究结果表明大尺度结构是冲击单音的``拟声源'. 此外,还可以看出大尺度涡结构产生的反馈声波一部分向喷嘴出口处传播,形成反馈环;另一部分反馈声波向四周传播.      

气固两相混合层二维涡配对的数值研究

采用双向耦合模型中的速度耦合模型,数值模拟了气固两相混合层中涡的配对、合并过程,文中采用拟谱方法对流场进行了直接数值模拟,用Lagrange模型跟踪固粒,结果发现,在双向耦合过程中Stokes数仍然是重要的参数,但不是唯一影响流场的参数,流场的发展还与固粒的体积浓度、固粒的相对密度以及固粒大小等因素有关。固粒抑制流场的发展,阻碍涡的配对、合并,加快了涡量的扩散;小St数的固粒仍然跟随流体运动,大St数的固粒趋向于低涡量区的趋势减弱。     

TR PIV INVESTIGATION ON THE LAGRANGIAN HAIRPIN VORTICES INDUCED BY A CUBIC DISTURBANCE

运用时分粒图仪 (time-resolved particle imagevelocimetry)对平板边界层中立方体扰动诱导产生的发卡涡涡结构进行了实验测量, 得到了立方体扰动尾迹区中展向平面内的速度矢量分布.基于拉格朗日坐标系, 运用李亚普诺夫指数对流场中的相干结构进行了辨识, 比较欧拉坐标系下的结果发现拉格朗日体系下李亚普诺夫指数场不仅有效地包含欧拉坐标系下涡强所表征的发卡涡涡头信息外, 并且能够呈现出涡颈在空间中的分布, 能够完全刻画出发卡涡涡结构在展向平面内的信息, 还发现李亚普诺夫指数对流场拟序结构的表征有很好的鲁棒性.另外, 李亚普诺夫指数场的互相关分析表明诱导产生的发卡涡涡结构随着向下游的传播, 其涡头不断抬升, 发卡涡涡结构与壁面的倾角也逐渐变大, 有效地刻画了拟序结构的空间演化过程.     

N-S方程基于投影法的特征线算子分裂有限元求解

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法:基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.      

NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。     

STUDY OF NON-SUBMERGED GROIN TURBULENCE FLOW IN A SHALLOW OPEN CHANNEL BYLES

采用动态亚格子模式和浸没边界法,对宽浅槽道中的丁坝群绕流的水动力学特性进行了三维大涡模拟研究. 利用丁坝绕流,试验中采用粒子图像测速仪(particle image velocimetry, PIV)测量的试验中自由水面处的时间平均流速和湍动强度数据对模型进行率定,结果表明计算结果与试验数据吻合良好. 丁坝长度与丁坝之间距离的比值L/D对丁坝周围的水流流动形式、湍流强度、涡量分布有显著影响. 在L保持不变并且L/D较大时,丁坝之间的距离D较小,这限制了混合层的发展,因此混合层中的湍动强度和涡量都较小;同时丁坝之间的回流区的流线形式也发生明显变化. 此外,还给出了涡体在丁坝坝头附近产生,发展并向下游输运的动态过程.