定常升阻力普适理论的特色和升力的物理来源

现代空气动力学诞生一百多年来, 已经发展出众多关于升力和阻力的理论. 但是, 其远场合力理论一直停留在低速不可压流. 虽经几代人的努力, 但仍未能把它精确地推广到黏性可压缩流. 这种状况直到最近才得以突破. 本文作者及其合作者依据对远场线化Navier-Stokes方程解析解的研究, 获得了经典不可压二维定常流的Kutta-Joukowski升力定理的现代二、三维普适版这个核心结果, 从而突破了经典空气动力学基础理论延续了八九十年的一个缺口. 基于线性近似得到的简洁公式, 何以能在高度非线性的复杂流场中仍然精确成立, 这里涉及饶有兴趣的方法论问题, 很值得关注. 本文的第一个任务, 是在简要回顾普适理论基本成果的基础上, 反思其方法论特色和背后的物理机理. 尽管严格的量化升力理论已经得到航空实践的广泛检验, 但在各种出版物和媒体上仍常常出现关于升力物理来源的各种假说. 这种状况表明: 升力物理来源这个问题, 并没有在国内外众多的教科书、专著和课堂中得到彻底的澄清, 认真回答这个问题在现今仍然具有迫切的重要性. 普适理论的普遍有效性和高度简洁性使人们能用它以尽可能直接的方式为澄清升力来源提供逻辑严密的论据, 值得着重考察. 这是本文的第二个任务.      

壁流动中的转捩

对壁流动的不同实验结果做了对比,这些实验结果来自于流动显示、热膜测量以及PIV测量, 对比的同时,还总结了与此相应的理论方面的进展.这些进展是在对所选大约120篇文献中内容归纳提炼的基础上给出的.尽管实验中所使用的初始扰动条件不同,但所发现的流动结构几乎是完全一样的. 在对壁流动转捩的认识方面,认为下列所观察到的流动结构是最基本最重要的:在边界层和管流中被称为类孤子相干结构(SCS)的三维非线性涡包、$\Lambda$涡、二次涡环和涡环链.近期的实验中发现了这些结构形成和转捩的动力学过程,具体包括以下内容: (1) $\Lambda$ 涡和二次涡环间持续的相互作用过程.该过程决定了涡环链的产生方式, 总是从壁面区域周期性地形成,并进入到边界层的外部区域; (2)高频涡的生成,这是理解转捩和湍流边界层(以及其他流动)发展的关键问题之一.尽管已经提出了一些解释,但是二次涡环的实验发现将对此提供一个特别清晰的解释.(3)在所有湍流猝发中SCS所起的关键作用.这一点被看做是低雷诺数湍流边界层中湍流产生的关键机制.与猝发直接相关联的是低速条带. 基于SCS的动力学过程, 针对壁流动情况,可以比以前更清晰地解释低速条带的形成机制及其与流动结构的关系.在实验中所观察到的SCS和二次涡环,不仅能使我们重温壁面流动转捩中的经典故事, 同时还开辟一条新的途径,可以基于此建立壁面流动转捩可能具有的普适性的动力学过程.      

波涡相互作用研究的某些进展(Ⅱ)

<正> 5 波涡共振 从第3节的感受性问题再前进一步,自然要问在什么条件下入射波激发起涡中之波的最大响应.这就导致了入射波与层状或轴状涡中受激波之间共振的概念,简称波涡共振.一般说来,在流体内部若有两个或多个波相会,它们将互相穿透而沿原来的方向离去.但若它们的波矢量和频率满足一定的关系(参见Craik 1985),就会在相会点产生新的波.2阶扰动的振幅可达到1阶扰动振幅的量级,而且流场中会出现一些重要的独特性质.这就是流体内部波共振,波涡共振是其一类情形.      

“FLUID ROLLER BEARING” EFFECT AND FLOW CONTROL

Owing to the rapid development of smart materials, flow control by travelling waves (TW) produced on flexible skin is becoming a very promising new area of research. One of the most revolutionary concepts of using TW technique is to trap a row of controllable vortices over the body surface, which plays a role of “fluid roller bearing” (FRB) between the external flow and the solid wall. The FRB can replace the conventional boundary layer and hence remove the latter‘‘s various unfavorable effects. This paper reports our preliminary numerical study of the FRB effect on flow over several typical walls, especially an airfoil with FRB at the stall angle of attack, which has never been considered before. Significant improvement of aerodynamic performance on the FRB-airfoil is observed, which strongly suggests that the FRB effect may open a brand new avenue to the 21th-Century aerodynamics.     

《涡运动理论》评介

涡动力学,即涡量和旋涡的动力学,是整个现代流体力学的一个主要支柱．狭义地讲,涡旋动力学讨论集中涡的运动和相互作用;广义地讲,涡动力学涵盖了整个有旋流体的动力学及其对无旋流的作用（如涡声）．著名理论家Ｓａｆｍａｎ（ＪＦｌｕｉｄＭｅｃｈ,１９８１,１０６...      

波涡相互作用研究的某些进展(Ⅰ)

波涡相互作用是当代非定常非线性流体力学的一个重要领域.本文评述了迄今人们对微扰纵波(声波,不包括激波)和横波(涡波)与层状和轴状涡相互作用的研究进展,包括涡声理论、锐缘及光滑表面涡层分离以及自由涡层的2维感受性和非定常Kutta条件,波产生时均涡流的非线性Eulcr整流和广义Lagrange整流,波涡共振等课题的进展.还介绍了用非定常激发实施涡控制这一重要应用领域的一些新进展.      

超声速尾涡的稳定性分析

从Ｎ－Ｓ方程出发,通过正则模方法,研究了超声速尾涡的绝对／对流不稳定性性质．计算了流动的稳定性特征随马赫数Ｍ,周向波数ｎ．,轴向自由流速度Ｗ０和旋转度ｑ等流动参数的变化规律,找到了绝对／对流不稳定区域的边界．通过比较发现,马赫数的增加使流动由绝对不稳定向对流不稳定乃至稳定转化．在所计算的参数范围,周向波数的增加加速了这一转化过程,而且,轴向速度的增加,同样使流动向着稳定的方向转化．同时还分析了不同旋拧程度的流动受可压缩影响的不同．这些结果对于了解旋拧流动稳定性的物理机理以及进行流动控制都有着重要意义．     

流动分离的渐近理论(续)

五、其他推广和应用超声速拐角流和不可压脱体分离是两个最典型的流动分离问题。我们看到,除与外流大范围再附有关的困难外,三层理论已获得显著的成功。这里再概述一些其他的应用和推广。1.内流分离流策略已在内流有阻塞或膨胀的各种情形得到了应用,首先是对渠道流和轴对称管流,然后推广到三维渠道流和非轴对称管流。      

流动分离的渐近理论

引言高雷诺数外部和内部粘性绕流问题,一直是航空、航天和其他许多应用流体力学领域的一个核心问题。由于实际边界条件极为复杂,在工程计算中用解析或数值方法直接求解Navier-Stokcs方程(简写为N-S方程)几乎是不可能的,何况仅靠数值解也不能充分揭示流动中本质的物理现象。因此,今后一个长时期里,利用流动的高雷诺数特点对N-S方程进行渐近展开,对于把握流动机理、指导实验研究、建立正确的简化计算模型乃至开展定量分析来说,都是一条重要的途径。