基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.      

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于``准稳态'方法建立的模型简化软件包SPARCK, 从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型. 简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致, 验证了模型的有效性. 采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法, 对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟, 计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好, 表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程. 在并行计算环境下, 和直接积分方法相比, 该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍, 大大提高了计算效率.      

EXPERIMENTAL STUDY ON QUANTITATIVE MEASUREMENT OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF HAIRPIN VORTEX BY STEREO-PIV 1)

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.     

轴对称钝物体的尾涡结构

本文对于圆球和70°角斜切尾钝头旋成体的尾涡结构作了流态显示和部分热线测量,流态显示结果表明,这类钝物体尾迹中的三维尾涡结构均呈现为一列相互锁定的“涡链”状结构,每一个涡元素自身并不闭合,呈“发卡”形,并与后继的涡相连接,对于70°斜切尾钝头旋成体模型,由于其斜切尾有固定三维尾涡面卷起和脱落方位的作用,故呈现出规则的三维尾涡结构。而圆球模型,由于涡面卷起和涡脱落的方位是随机旋转的,因此“涡链”呈现为被任意扭曲的千姿百态,流态照片各不相同,圆球尾迹的这种既有周期性又有随机旋转的特性,在热线测量的结果中也有所反映。     

可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的实验

对可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的现象进行了实验研究．实验在９４ｍｍ×９４ｍｍ的方截面激波管中进行．在实验段上游安装了一个有限翼展平直机翼．当入射激波通过机翼后，波后２区气流在模型翼尖诱导出一条流向涡．入射激波在激波管端壁反射后，形成的反射激波在观察窗处和流向涡发生作用．实验中拍摄了激波与流向涡作用全过程的纹影照片，观察到了一些和定常激波与旋涡相互作用不同的现象，并与数值计算结果进行了初步比较     

等速上仰翼型尾部流动观察及动态失速机理探讨

在尾缘处置氢气泡铂丝,观察了上仰翼型自尾缘流入尾迹的涡层。基于尾涡层及(以往)上翼面分离涡的观察,用涡动力学理论,探讨了动态失速的机理,并解释了新的失速现象。     

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长.FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.      

ADAPTIVE PARALLEL MULTIGRID SOLUTION OF 2D INCOMPRESSIBLE NAVIER–STOKES EQUATIONS

In this paper an adaptive parallel multigrid method and an application example for the 2D incompressible Navier–Stokes equations are described. The strategy of the adaptivity in the sense of local grid refinement in the multigrid context is the multilevel adaptive technique (MLAT) suggested by Brandt. The parallelization of this method on scalable parallel systems is based on the portable communication library CLIC and the message-passing standards: PARMACS, PVM and MPI. The specific problem considered in this work is a two-dimensional hole pressure problem in which a Poiseuille channel flow is disturbed by a cavity on one side of the channel. Near geometric singularities a very fine grid is needed for obtaining an accurate solution of the pressure value. Two important issues of the efficiency of adaptive parallel multigrid algorithms, namely the data redistribution strategy and the refinement criterion, are discussed here. For approximate dynamic load balancing, new data in the adaptive steps are redistributed into distributed memories in different processors of the parallel system by block remapping. Among several refinement criteria tested in this work, the most suitable one for the specific problem is that based on finite-element residuals from the point of view of self-adaptivity and computational efficiency, since it is a kind of error indicator and can stop refinement algorithms in a natural way for a given tolerance. Comparisons between different global grids without and with local refinement have shown the advantages of the self-adaptive technique, as this can save computer memory and speed up the computing time several times without impairing the numerical accuracy. © 1997 By John Wiley & Sons, Ltd. Int. J. Numer. Methods Fluids 24, 875–892, 1997.     

并联结构体系联合验算点确定的渐近方法

联合验算点是并联结构体系可靠度分析中的一个重要概念。应用渐近手段，本文提出确定并联结构体系联合验算点的渐近方法，这种方法将一个复杂的优化问题转化为一个简单的构件可靠度分析问题。计算表明，这种方法收敛稳定，效率高。     

起始攻角附件三角翼涡破裂的演化特性研究

用数值方法求解Ｎ－Ｓ方程，并用“亚迭代”方法保证时间方向二阶精度，数值模拟了 ７５° 后掠三角翼非定常绕流，给出了详细的涡破裂起始攻角附近涡破裂的形成、发展和演化过程． 涡破裂从开始的螺旋破裂变为向泡状破裂演化的“过渡态”，然后发展到泡状破裂，再由泡状 破裂变为向螺旋破裂演化的“过渡态”，最终发展到典型的螺旋破裂形态．从计算结果中还发 现，当泡状破裂形成后破裂点前移速度明显减慢，同时当从泡状破裂向螺旋破裂演变时，破裂 点出现后移现象．可从最近相关的实验和数值模拟结果中发现这些现象的存在．     

深海多立柱浮式平台涡激运动特性研究

基于不可压缩纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程和改进的延迟脱体涡模拟方法(improved delayed detached edd ysimulation method,IDDES),数值研究了深海多立柱浮式平台在海流作用下的涡激运动响应特性.以张力腿平台为对象,计算了该平台在0°,22.5°和45°流向角下的横向和艏摇涡激运动响应,分析了涡激运动响应幅度、频率比随约化速度的变化规律,研究了涡激运动响应能量的分布趋势.数值预报结果与模型实验数据吻合良好,证实了数值模型的有效性;研究发现,当约化速度介于7.0和14.0之间时,横向运动发生锁频,运动幅值稳定在0.2D~0.4D(D为立柱宽)之间,而艏摇涡激运动和约化速度呈线性递增关系;在横向运动锁频区间内,由于艏摇激振力矩主要受升力主导,艏摇频率与横向运动频率相同;相对于0°来流,22.5°和45°流向下的涡激运动频率更高,但艏摇运动能量仅为0°流向角下的10%.基于计算结果,进一步分析了多立柱平台涡激运动中的三维流场结构.      

绕旋转圆柱流动涡尾流结构和临界状态特性

采用作者提出的基于区域分解，有限差分法与涡法杂交的数值方法，结合高阶隐式差分格式，和以修正的不完全ＬＵ分解为预处理器的共轭梯度法作求解器，系统地研究了雷诺数Ｒｅ＝１０００，旋转速度比α∈（０．５，３．２５）范围内，绕旋转圆柱从突然起到充分发展，长时间内尾流旋涡结构和阻力，升力系数的变化规律，计算所得流动图案与实验流场显示符合很好。数值试验证帝了临界状态的存在，并首次给出了临界状态时的旋涡结构特性。     

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．     

复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程多场分析的研究进展

综述了复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程的多场分析的国内外近代研究进展, 其中包括:缠绕成型工艺,固化工艺,超压工艺,使用过程中的应力分析,低速冲击损伤等相关问题. 在此基础上, 着重介绍了倍受航天界所关注的含薄壁金属内衬的复合材料缠绕容器的成型工艺和低速冲击损伤一体化研究工作, 并提出了该领域今后还需进一步研究的内容.      

基于速度梯度张量特征值的陷窝内旋涡分析

作为一种新型的涡流发生器,陷窝具有流动阻力小、综合传热性能高的特点,是现代高性能涡轮叶片内部冷却新技术. 旋涡的定量分析是陷窝强化传热优化设计的重要依据. 针对在不同陷窝模型下的旋涡结构、分离方式和背景压力变化引起的旋涡强度无法定量分析的问题,本文提出采用涡核速度和 涡核速度梯度张量特征值来定量分析旋涡的方法. 通过采用涡核处局部坐标系表示的速度矢量和速度梯度张量,得到了涡核的轴 向速度、径向速度、旋转角速度、轴向加速度和径向加速度,并在此基础上简化出了用最大轴向速度、最大轴向加速度和最大旋 转角速度综合表示的旋涡强度的定量分析方法. 用该方法分析了不同深宽比陷窝诱导的旋涡结构,随着深宽比的增大,最大轴向 速度、最大轴向加速度和最大旋转角速度均呈现明显的增大趋势,旋涡强度增大. 研究表明此方法具有数据处理简单、通用性强、 不受分离方式限制、不受背景压力影响的特点,且提取到的数据具有明确的物理意义,适用于各类旋涡定量分析.      

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

三角翼的双襟翼控涡作用的数值模拟研究

对装有“前端襟翼”和“前缘襟翼”的７４°后掠三角翼的不可压缩流场作了数值模拟,以研究襟翼的旋涡控制作用．数值模拟是用拟压缩性方法求解一般曲线坐标系下的三维不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程,时间离散用向后Ｅｕｌｅｒ差分,空间无粘项的离散用二阶迎风ＴＶＤ格式,所得的离散方程用对角化形式的近似隐式因子分解格式求解．湍流模型用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数模式．计算了三种平面形状的机翼在迎角范围为１０°～５０°的绕流和气动特性．计算和实验的比较表明,襟翼向下偏转可以推迟旋涡破裂,且对提高机翼的减阻能力、升阻比和改善失速前后的气动特性有明显效果,双襟翼具有更佳的控涡效果．     

脱体涡流型的数值计算

本文在回顾空气动力体大迎角脱体涡流场数值计算的发展过程之后,详细讨论了各种势流计算模型。      

逆向涡对超疏水壁面减阻影响的TRPIV实验研究

超疏水壁面由于具有减阻和自清洁功能而成为国内外减阻和海洋防污等研究领域的热点之一,而20世纪湍流中相干结构的发现为湍流的控制指出新的方向,尤其近壁区涡结构对摩擦阻力贡献很大.利用高时间分辨率粒子图像测速技术,研究了超疏水壁面(SH)以及亲水壁面(PH)湍流边界层中正负展向涡的空间分布特征,研究逆向涡对超疏水壁面近壁区流动结构的影响和超疏水壁面的减阻机理.首先利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)和逆向涡,实现了准确识别涡心并排除小尺度涡的干扰;然后根据检测到的顺向涡和逆向涡流线分布图,发现逆向涡始终处于正向涡的上游和下方,并且对正向涡的进一步发展起抑制作用;最后对两种壁面边界层中逆向涡数量以及出现概率进行对比,发现具有减阻效果的超疏水壁面边界层中出现更多逆向涡.说明逆向涡可抑制上方顺向涡与壁面的强烈剪切,并使靠近壁面的流体加速,从而产生减阻效果;超疏水壁面中涡结构具有更大的β角,使其更好地阻碍了发卡涡头附近强烈的喷射和扫略;超疏水壁面逆向涡出现概率明显大于亲水壁面.这些结果表明:超疏水壁面表现出的减阻特性(Reδ≈13 500,减阻5.8%)与两板产生逆向涡的差异有关.