压气机叶栅通道中二次流动对三维角区分离流动的影响

本文数值模拟研究了不同攻角下压气机PVD叶栅中的复杂流动情况,分析了叶栅通道中的二次流对三维角区分离流动的影响。结果表明:马蹄涡在压气机叶栅通道中的发展不明显并且在叶栅通道中很快耗散,因此对三维角区分离影响不大;而通道涡是压气机叶栅通道中主要的二次涡,增强了三维角区分离流动现象,增加了气流总压损失。     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。     

圆柱绕流远场旋涡结构的数值研究

基于离散涡方法求解非定常、不稳定流场。数值模拟了高雷诺数下圆柱绕流旋涡结构的发展。从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场初生的卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程。计算结果发现：远场离散涡有形成 二个涡的涡对及三个涡的涡对结构的趋势。计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：远场形成的二次涡对及卡门涡街是由于流动本身的动力不稳定而引起的,从而增加对远场尾迹流及涡对结构的理解。     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

不同负冲角工况下透平叶栅二次流的数值模拟及分析

本文应用TVD格式和Baldwin－Lomax代数紊流模型求解三维NS方程，对一个透平直列叶栅流场在两个不同的负冲角工况下进行了数值模拟，给出了叶栅马蹄涡及其分离鞍点、通道涡、角涡等二次流涡系的结构及其产生发展过程，并对不同工况下的涡系结构及冲角的影响作了详细的分析和比较．本文结果有助于对叶栅二次流涡系结构的产生发展机制的深入了解，同时表明所用数值求解技术有较高的精度和分辨率。     

端壁对在横向流动中的圆柱体传热的影响

靠近燃气透平叶片顶端或根部的叶片表面的热负荷强烈地受到那里的二次流的影响。叶片进口边缘首先与高温燃气相接触,因此,端壁对叶片进口边缘传热的影响值得进行研究。Schmidt和Wenner的文章提供了早期对圆柱体传热的研究结果。Kestin和Maeder的工作充分证明了自由流的湍流度对传热系数有很大的影响。Johnston在文献中对二次流给出了甚为清楚的说明。本文用一个在横向流动中的圆柱体,并在圆柱体上安置一块平板,来模化靠近端面的透平叶片进口边缘处的流动。     

不可压缩流基于块预处理的并行有限元计算

发展了一个模拟非定常不可压缩粘性流的并行有限元求解器,时间离散使用具有二阶精度的隐式中点格式,基于三维非结构四面体网格剖分,使用高阶混合有限元离散速度场（P2）和压力场（P1）.全离散格式产生的代数方程组是大型、稀疏、非对称和病态的,基于修正的压力对流扩散预处理（PCD）和精心设计的子问题迭代执行策略,采用预处理的GMRES迭代法来高效求解线性方程组.利用相同的子问题迭代策略,同时给出基于最小二乘交换子（LSC）预处理的并行效率对比.大量数值算例验证了算法的精度、可扩展性和可靠性.三维驱动方腔流模拟结果（Re=3200.0）清晰地显示了方腔流中主涡（PE）、下游二次涡（DSE）、上游二次涡（USE）、侧壁涡（EWV）和TGL涡的存在.     

相邻双侧边盖驱动方腔流动的三维线性整体稳定性

文章考察了相邻双侧边盖驱动方腔流动（即上壁面向右运动和左侧壁面向下运动）的三维线性整体稳定性.首先,采用Taylor-Hood有限元方法并经由Newton迭代过程计算得到双侧边盖驱动方腔流动的二维稳态基本流.其次,Taylor-Hood有限元在Chebyshev Gauss配置点上进行离散,同时Gauss配置点也可以用于线性稳定性方程的高阶有限差分格式离散.然后,离散得到的矩阵形式的广义特征值问题可以结合shift-and-invert算法采用隐式重启Arnoldi方法计算.最后,通过对线性稳定性方程特征值的计算,发现了一个最不稳定的驻定模态和两对对称行波模态.最不稳定的三维驻定模态的临界Reynolds数为Re_c=261.5,远远小于二维不稳定的临界Reynolds数Re_c2d=1 061.7.通过画出这3类三维不稳定模态的流向扰动速度和扰动涡量的空间等值面图像,可以发现不稳定扰动位于稳态基本流的两个主涡区域,因此可以认为主涡区域是三维扰动失稳的主要能量来源地.      

Experimental Investigation of the Effect of Purge Flow and Main Flow Interaction in a Low-Speed Turbine Cascade Passage

In order to protect the vulnerable turbine components from extreme high temperature, coolant flow is introduced from the compressor to the disk cavity, inevitably interacting with the main flow. This paper describes an experimental investigation of the interaction between the main flow and the purge flow in a low-speed turbine cascade with three purge flow rates, Cm = 0, Cm = 1%, and Cm = 2%. In order to study the effect of the interaction between the main flow and the purge flow on the secondary flows, a Rortex method developed by Liu Chaoquan is introduced to identify the vortex in the flow field. In the meantime, a method to calculate the mean entropy production rate based on the particle image velocimetry (PIV) result is adopted to investigate the flow loss. The PIV result indicates that the purge flow has a prominent impact on the flow field of the cascade passage, changing the velocity distribution that induces a local blockage area. The results of vortex identification show that the purge flow promotes the generation of the passage vortex near the suction side. In addition, the purge flow makes the passage vortex migrate to the tip wall direction, enlarging the region affected by the secondary flow. The mean entropy production (MEP) result shows that the flow loss is mainly caused by the passage vortex. The coincidence of the high-MEP region and the location of the passage vortex indicates that the purge flow increases the secondary flow loss by affecting the formation and the migration of the passage vortex.     

基于间断有限元方法的并列圆柱层流流动特性

基于高阶的间断有限元方法, 数值模拟低马赫数下并列圆柱的可压缩层流流动, 捕捉并列圆柱流场中的漩涡结构, 以便分析并列圆柱尾流的流动特性. 针对二维圆柱的边界形式, 采用曲边三角形单元构造二维圆柱的曲面边界, 以适应高阶离散格式的精度. 在验证方法合理性的基础上, 分析圆柱间距及雷诺数对漩涡脱落及受力特性的影响规律. 研究结果表明: 并列圆柱的间距是影响流场流动特性的一个主要因素, 它会改变圆柱漩涡脱落的形式. 随着圆柱间距的增加, 上下圆柱的平均阻力系数及平均升力系数的绝对值随之显著下降. 雷诺数对于平均阻力系数的影响相对较小. 但随着雷诺数的增加, 上下圆柱的平均升力系数会随之降低, 而漩涡的脱落频率会随之增大.     

三维曲面腔顶盖驱动流的MRT-LBM研究

采用多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)的D3Q15模型分别对长方体腔、圆柱腔、半圆柱腔、旋转双曲面腔、旋转椭球面腔、半球腔以及两种组合腔体的三维顶盖驱动腔流进行数值模拟, 比较分析各腔体内流线分布、流速等值线分布和涡心的发展, 对于典型腔体模拟不同雷诺数下的流动情况。结果表明: 在同一雷诺数下, 曲面边界不仅能消除从边界产生的次涡, 还会导致腔内主涡的分离, 增大中心纵剖面纵向回流速度; “上长方体+下半圆柱”腔内流函数分布与边界贴合度最高。当雷诺数不断增大时, 半圆柱腔内主涡逐渐分离成两个同向涡, “上圆柱+下半球”腔内始终保持着圆柱腔与半球腔内的基本流动特征; 而长方体腔内主涡涡心保持在同一高度, 次涡逐渐增强, “上长方体+下半圆柱”腔内流动愈加规则, 主涡逐渐下沉, 流速等值线分布逐渐趋于中心小、四周大。     

The Effects of Wettability on Primary Vortex and Secondary Flow in Three-Dimensional Rotating Fluid

The secondary flow driven by the primary vortex in a cylinder,generating the so called "tea leaf paradox",is fundamental for understanding many natural phenomena,industrial applications and scientific researches.In this work,the effect of wettability on the primary vortex and secondary flow is investigated by the three-dimensional multiphase lattice Boltzmann method based on a chemical potential.We find that the surface wettability strongly affects the shape of the primary vortex.With the increase of the contact angle of the cylinder,the sectional plane of the primary vortex gradually changes from a steep valley into a saddle with two raised parts.Because the surface friction is reduced correspondingly,the core of the secondary vortex moves to the centerline of the cylinder and the vortex intensity also increases.The stirring force has stronger effects to enhance the secondary flow and push the vortex up than the surface wettability.Interestingly,a small secondary vortex is discovered near the three-phase contact line when the surface has a moderate wettability,owing to the interaction between the secondary flow and the curved gas/liquid interface.     

数值模拟圆柱绕流旋涡运动及尾流不稳定性分析

1引言流体绕过圆柱所产生的非定常旋涡运动以及由此引起的流动不稳定性在理论和实践上都具有重要的意义。数值模拟圆柱绕流旋涡产生及演化过程，探讨圆柱尾流涡街产生的机制，控制尾迹不同速度型以抑制涡街的产生，避免涡激振动在工程上造成破坏作用具有重大实际意义。为使问题简化，本文以二维圆柱绕流作为研究对象。该流动涉及到非定常分离，旋涡的形成、运动及发展，流动不稳定性质改变等许多未完全解决的问题。B。had等山对圆柱突然起动问题作了一系列实验研究。文献门对二维圆柱绕流问题作了系统数值研究。本文采用文献门提出的差分格…     

矩形弯曲冷却孔绕流的数值研究

本文以平板矩形孔为对象,利用商业软件NUMECA的Fine/Turbo求解器,并采用Spalart-Allmaras一方程湍流模型,在定常假设的条件下,通过数值模拟得到不同速度比时直方孔和弯曲方孔附近的三维流动结构,探讨冷却孔弯曲对减弱肾形的效果。同时讨论了肾形涡发展演变的拓扑结构。     

通道涡稳定性及对损失的影响

采用具有TVD性质的三队精度Godunov格式,对均匀加载叶型及后部加载叶型所构成的叶栅在不同弯角下的流场进行了数值模拟。详细研究了叶片弯曲后对通道涡截面拓扑结构的影响。发现叶片正弯后有利于使通道涡在结构上变得稳定;同时也指出;与常规叶片相比,二次流损失较小的后部加载叮型所构成的叶栅内的通道涡在结构上较为稳定。本文进一步分析了通道涡结构的改变对损失的影响;并指出使通道涡在结构上变得稳定的边界条件可能有助于减少二次流损失。