开缝钝体尾迹的拟序结构

弄清开缝钝体尾迹的拟序结构是认识其火焰稳定机理的基础。在雷诺数R e为470000条件下,采用RNGk-ε模型对通道内的开缝钝体尾迹进行数值模拟来分析大涡尺度的拟序结构。模拟结果显示,偏向一侧的中缝流将近尾分成主回流区和次回流区,主回流区的漩涡脱落激发扰动,引起近尾的绝对不稳定。并提出单涡突然置于两剪切层间的漩涡脱落机理来解释拟序结构不稳定特性。为了验证上述结论,在闭式风洞中采用激光粒子测速技术(P IV)对开缝钝体的尾迹进行了实验研究,其结果与数值分析较好地吻合。     

流线型轴对称钝体尾迹特性及其声激励控制

在Ｒｅ＝３．０×１０３～１．０×１０５的范围内实验研究了流线型轴对称钝体尾迹特性，并采用声激励手段对尾迹进行控制．研究表明，自然状态下流线型轴对称钝体尾涡无量纲脱落频率在Ｒｅ＝５．０×１０４～１．０×１０５的范围内具有普适性，适当频率的声激励可以减小回流区，该结果对工程减阻具有实际应用价值．实验中脉冲热线的成功应用为复杂流场的测量提供了新的技术手段．     

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况，研究了 Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流，和Re=250时不同间距下串列双 圆球绕流流场. 对于正交双圆柱绕流，当间距比大于3，下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只 限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内；当间距比小于等于3，下游圆柱对上游圆柱尾流 的影响扩大，下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构. 对于串列圆球绕流， 研究发现，在小间距比(L/D≈ 1.5)的情况下，由于上下游圆球尾流区的相互抑 制消除了压力不稳定性，整个流场呈现稳 态轴对称特征；间距比为2.0时，周向压力梯度诱发出流体的周向输运，流场呈现稳态非对 称性，但流场中存在特定的对称面；间距比增大到2.5后，绕流场开始周期振荡，原有的对 称面依旧存在；在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱，导致占优频率发生 交替；间距比增至7.0时，整个流场恢复稳态特征，两圆球尾部同时出现双线涡，这时流场 对称面的位置发生了变动.     

后柱横向振动串列双圆柱尾迹特性

本文采用电化学显示方法和热线技术就雷诺数为10~2—10~3,后柱横向振动串列双圓柱尾迹和涡街进行了研究。双柱间距为1.5≤s/d≤10,后柱振动振幅为0.1d和0.3d。首先,本文得到了低雷诺数情况下,串列双圆柱绕流旋涡脱落频率随柱间距和雷诺数的变化规律。并且,通过流谱分析,对于出现频率间断现象给予了说明。其次,本文着重研究了振动情况下尾迹特性。当后柱以静止双柱涡脱落频率强迫振动,涡脱落和柱振动之间将发生联锁反应。本文实验揭示了联锁区奇特的涡街流谱——二次涡、涡的聚集和涡街伸长。     

旋转翼面尾迹的流态显示技术

本文介绍了一种可用于显示旋转弹翼面在非旋转和旋转过程中拖出的涡及其轨迹的流态显示技术。本方法在烟线技术的基础上,采用新的发烟装置,既提高了发烟的浓度,延长了发烟的时间,并不增加任何附加力矩而使发烟部件随旋转弹体一起转动,从而实现了在旋转过程中进行动态的流态显示。文中对于应用此方法得到的流态的真实性进行了分析讨论,分析表明用此方法显示的流态具有一定的真实性,可以提供定性的旋转翼面尾涡流动特性。     

自由来流扰动引起的旁路转捩研究进展

本文回顾了自由来流扰动引起的边界层旁路转捩研究进展, 所讨论的自由来流扰动包含高湍流度自由来流和尾迹两大类. 首先介绍旁路转捩的定义、途经及其与规则转捩的区别; 继而讨论高湍流度自由来流引起旁路转捩的路径和机理, 涵盖感受性、瞬态增长、湍流斑、条带稳定性等旁路转捩的主要环节. 在此基础上介绍了尾迹引起旁路转捩的研究现状, 包括对流尾迹和大尺度钝体尾涡两种尾迹形式, 分析了转捩路径及机理, 最后给出研究展望.      

圆柱附加旋转整流罩表面压力分布及气动力特性

对圆柱附加固定整流罩的已有研究表明,它在降低升阻力和抑制涡激振动方面有优良的效果。但固定整流罩具有方向敏感性,当来流方向改变后效果会受到显著影响,甚至起到增加升阻力和加剧涡激振动的反作用。本文给圆柱附加了圆弧直径为40mm,形状夹角α分别为30°、45°、60°、75°和90°五种尺寸的旋转整流罩,并进行了风洞实验。其中整流罩可以自由地围绕圆柱轴线旋转。实验结果表明:旋转整流罩在流体力产生的力矩作用下,旋转至一个偏离尾流中心线固定角度的动态平衡位置,而平衡位置偏转角δ随着形状夹角α的增大而增大。附加旋转整流罩后,相对单圆柱能够提高尾迹区域压力,并能使时均阻力和脉动升力分别在α=30°和α=75°时获得最大43.5%和67.0%的降低。此外,对于小α(α≤60°)情况,漩涡脱落频率明显高于单圆柱情况,而对于大α(α≥75°)情况,则与单圆柱情况相接近。所有旋转整流罩升力主频的幅值较之单圆柱有了很大程度的降低,可见旋转整流罩在抑制漩涡脱落方面有很好的效果。     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

圆柱绕流尾迹中相干结构对湍流特性的影响

实验研究了圆柱尾迹中相干结构对湍流平均量的影响.用一个X热线在距离圆柱体y/d=4测量参考信号,用X热线和冷线相结合的三线探头测量从x/d=10～40的圆柱绕流尾迹中的速度和温度脉动,用条件平均的方法研充圆柱绕流近尾迹中的相干结构,并对相干结构对动量和热量的湍流输运过程的影响进行初步分析.结果表明:相干结构对尾迹中速度的横向脉动影响最大;相干结构对湍流参数的影响随x/d的变化明显.该工作还对相干结构引起的湍动能产生率变成负和逆温度梯度输运现象做了定性的解释.     

机身后体气动特性及其张线支撑影响研究

以民用机后体为对象，对四线、六线和八线3种张线布局对后体分离流型、旋涡结构及气动 特性的影响进行了研究，实验是在北航D-1风洞中进行的，实验ReD = 2.148×105. 实验研究表明：随迎角从- 10°增加到20°，收缩上翘民用机后体的绕流涡系由下涡系转变为上涡系，直到多涡系结构，相应的分离流 态由上分离流型转变为下分离流型；张线对机身后体绕流流场的影响一方面通过对绕流旋涡 的干扰起作用，张线尾迹区的低能流会降低绕流旋涡对机身表面的诱导作用， 采用1mm张线，对于四线、六线和八线3种支撑型式，机身后体分离流型及旋涡结构未 发生明显改变.     

Numerical study on bifurcations in the wake of a circular disk

Using Large-eddy simulation (LES), the dynamics in the wake of a circular disk with an aspect ratio of d/w = 5 is numerically studied. The circular disk is normal to the main flow, and Reynolds number ranges from 115 to 300. The first bifurcation is confirmed for Re = 120, leading to the steady state mode with a reflectional symmetry and a double-thread wake extending to the downstream. The Hopf bifurcation is found for Re = 152, and the planar symmetry is lost, which is different from that observed in the sphere wake; it is called the “reflectional-symmetry-breaking (RSB)” mode and the hairpin vortices in this mode are always shedding in a fixed orientation. The third bifurcation is captured for Re = 166, which is named the “standing wave (SW)” mode; the planar symmetry lost in RSB mode is recovered and the hairpin vortices are shedding in the oppositely sided orientations, unlike the ones observed in the sphere wake. The fourth bifurcation, referred to as “zigzag (ZZ)” mode, is observed for Re = 265 and the planar symmetry is lost again; the hairpin vortices are shedding in an irregular orientation and propagating in a zigzagged way; and a few small-scale structures begin to appear. Three different vortex shedding regimes are found in RSB, SW and ZZ modes, respectively. Results show that the recirculation region plays a significant role in the mode transitions, and the stagnation point of recirculation zone is conjectured to be the initial region causing the wake instability.     

Vortex dynamics of a sphere wake in proximity to a wall

Toward getting the vortex dynamics characteristics and wake structure of a sphere in proximity to a wall, the effect of a proximal flat plate on the wake of a stationary sphere is investigated via direct numerical simulation. The vortex shedding process and the significant variation of the wake structure are described in detail. The drag coefficient reduces and the wake structure of the sphere becomes complex due to the combined effect of the wake flow and the wall. A jet flow forms between the sphere and the flat plate, which suppresses the vortex separation on the bottom of the sphere. The asymmetric distributions of the coherent structures and the recirculation region behind the sphere are discussed. Besides vortex shedding patterns, the time-averaged velocity distribution, vortex dynamics, distribution regularities of turbulent kinetic energy and enstrophy are investigated.     

单窄条控制件对横向振荡柱体尾流 2P模式 旋涡脱落的改变

横向强迫振荡柱体尾流控制是柱体涡激振动控制的基础,在海洋、土木等工程中具有重要意义. 横向强迫振荡柱体尾流中存在一种锁频旋涡脱落模式,即在一个振荡周期内柱体上、下侧各脱落旋转方向相反的一对涡,称为2P模式. 本文将相对宽度b/D=0.32的窄条控制件置于横向强迫振荡柱体下游,对振幅比A/D=1.25, 无量纲振频f_e D/V_∞=0.22,雷诺数Re=1 200的2P模式旋涡脱落进行干扰,并通过改变控制件位置,研究旋涡的变化规律. 采用二维大涡模拟和实验验证方法进行研究,在控制件位置范围0.8≤X/D≤3.2, 0.4≤Y/D≤3.2内,得到了2P, 2S, P+S和另外6种新发现的旋涡脱落模式,并对各模式旋涡的形成过程作了详细描述. 在控制件位置平面上给出了各旋涡模式的存在区域,画出了旋涡脱落强度的等值线图,并发现在一个相当大的区域内,旋涡脱落强 度可减小一半以上,尾流变窄. 发现柱体大幅振荡引起的横向剪切流在旋涡生成中起关键作用. 探讨了控制件对横向剪切流的影响,分析了控制件在每种旋涡模式形成中的作用机制.      

薄矩形柱绕流旋涡脱落的抑制

用窄条形控制件对截面宽度为B、厚度为H的矩形柱体绕流的旋涡脱落进行抑制.实验在风洞中进行, 实验范围为B/H=2.0~5.0,Re=V_∞H/\nu=3.75× 103~1.05×104. 矩形柱的宽边B与来流平行, 窄条与柱体等长, 且两者轴线相互平行放置. 窄条宽度为b/H=0.5, 窄条厚度远小于其宽度; 窄条位置可变, 但窄条表面保持与来流垂直. 尾流脉动速度测量和流动显示结果表明: 当窄条位于一个有效区内时, 矩形柱体两侧的旋涡脱落被抑制; 而当窄条位于一个单侧有效区内时, 矩形体一侧的旋涡脱落被抑制, 在另一侧旋涡脱落却仍存在. 有效区范围从矩形体的上游某点一直延续到矩形体的下游某点. 单侧有效区将整个有效区围在其中. 有效区和单侧有效区范围随着B/H的增大而增大, 但随着Re的增大而减小.      

Flow past a sphere in density-stratified fluid

Stratified flow past a three-dimensional obstacle such as a sphere has been a long-lasting subject of geophysical, environmental and engineering fluid dynamics. In order to investigate the effect of the stratification on the near wake, in particular, the unsteady vortex formation behind a sphere, numerical simulations of stratified flows past a sphere are conducted. The time-dependent Navier–Stokes equations are solved using a three-dimensional finite element method and a modified explicit time integration scheme. Laminar flow regime is considered, and linear stratification of density is assumed under Boussinesq approximation. The effects of stratification is implemented by density transport without diffusion. The computed results include the characteristics of the near wake as well as the effects of stratification on the separation angle. Under increased stratification, the separation on the sphere is suppressed and the wake structure behind the sphere becomes planar, resembling that behind a vertical cylinder. With further increase in stratification, the wake becomes unsteady, and consists of planar vortex shedding similar to von Karman vortex streets.     

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.      

Vortex motions in stratified wake flows

The vortex wakes of obstacles (circular cylinder and sphere) moving through a linearly stratified fluid have been investigated, by means of flow visualization, at Reynolds numbers smaller than 800 and non-dimensional buoyancy frequencies smaller than 6. Vortex shedding from a horizontally suspended circular cylinder is suppressed when the fluid is stratified. The wake of a sphere is affected by lee waves when the Reynolds number exceeds about 200.     

隔离板对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落的抑制

用隔离板对直径为D, 沿流向振荡的圆柱后涡脱落进行抑制. 隔离板放于圆柱尾流中心线上,控制参数包括隔离板长度L/D以及隔离板前缘到柱体振荡中心的距离G/D. 实验的雷诺数范围Re=V_∞D/v=1.01×10⁴～1.69×10⁴,柱体折减振频范围f_eD/V_∞=0～0.03, 柱体振幅固定为A/D=0.2. 风洞烟线显示和热线测量结果表明:当 G/D位于一个有效区域内时,可有效抑制振荡柱体尾流的旋涡脱落. 该有效区的大小随着隔离板板长的增大而增大, 随着Re数和圆柱振荡频率的增大而减小.