振荡射流提高风力机叶型升力的PIV实验

本实验在风力机叶片叶型表面头部加入平均质量流量为零的一定频率的振荡射流。PIV(Particle Image Ve- locimetry)实验手段显示出叶片上表面速度场。通过对加入振荡射流前后速度场和涡量场的观察与比较,可以发现在振荡射流的作用下,叶片上表面尾端的流动分离发生了再附,转捩点向后推移。通过比较还可以发现在加入特定的频率和强度的振荡射流之下,该效果更加明显。该实验不仅可以证明振荡射流可以提高叶片升力,而且显示了不同频率的射流对流动的影响。     

双孔VGJs对高亚音扩压叶栅端区流动的影响

本文采用数值模拟的方法研究了单孔以及双孔射流旋涡发生器(VGJs)对高亚音速(Ma=0.67)压气机叶栅内气动性能的影响,同时对双孔射流参数对控制效果的影响进行了分析,并对控制前后栅内流场以及主要旋涡结构的变化进行了详细的探讨。计算结果表明:采用单孔以及同向双孔射流均有效的降低了总压损失系数,增强了气流折转能力,有效的改善了端区流动。相对距离对VGJs的控制效果影响较小,但对倾角的变化较为敏感。单双孔射流的控制机制基本一致,采用射流旋涡发生器后,端壁附面层横向迁移被有效的抑制,通道涡、集中脱落涡,壁面涡以及壁角涡被削弱,同时在吸力面侧形成诱导涡,附面层分离被推迟。     

自耦合射流冲击冷却的数值计算

本文利用动网格技术对两维自耦合射流冲击冷却恒热流壁面进行了数值模拟,腔体底面具有一定的运动规律,每个时间步网格会重新划分。通过对流场和温度场的分析,得出以下结论:自耦合射流是零质量射流,射流的截面速度分布具有自相似性。涡对的平移和破碎影响了温度场的分布,从而冲击靶面温度最低点不是出现在射流驻点区,而是对应于涡对破碎、紊流度最大的位置。     

脉冲激励下超音速混合层涡结构的演化机理

采用大涡模拟方法对脉冲激励作用下的超音速混合层流场进行数值模拟,所得结果清晰展示了流场中涡结构的独特生长机理.基于涡核位置提取方法,对超音速混合层流场中涡结构的空间尺寸和瞬时对流速度等动态特性进行了定量计算.通过分析流场中涡结构的动态特性在不同频率脉冲激励下的变化,揭示出受脉冲激励超音速混合层流场中涡结构的演化机理:涡结构的生长不再是依靠相邻涡-涡结构之间的配对与融合,而是通过涡核外围的一串小涡旋结构被依次吸进涡核来实现,且受激励流场中各个涡结构的空间尺寸变化较小;流场中的涡结构数量与脉冲频率成正比例关系,而涡结构的空间尺寸与脉冲频率成反比例关系;涡结构的平均对流速度随脉冲频率的增大而减小.针对受脉冲激励超音速混合层,给出了能够表征涡结构特性与脉冲激励参数之间关系的方程式,即受激励流场中涡结构的平均对流速度与脉冲周期的乘积近似等于流场中涡结构的空间尺寸(涡结构平均直径).     

浮力对矩形射流扩散火焰影响的大涡模拟

本文对浮力作用下的矩形射流扩散燃烧过程进行了三维大涡模拟。数值模拟结果展示了浮力作用下矩形射流扩散火焰的动态弯曲过程,比较分析了射流速度对火焰刚性的影响,发现射流速度越高火焰弯曲程度越小、燃料喷射距离越远。对浮力作用下的水平射流横截面流动分析结果表明,由于流向涡的卷吸作用在局部区域存在逆着浮力方向的流动。     

射流冲击圆锥噪声特性实验及数值分析

为研究低马赫数条件下射流冲击圆锥形障碍物的气动声学特性,针对4个冲击距离下的射流声场进行了远场实验测量,并基于大涡模拟进行了数值模拟计算,结果显示声场测量与数值结果吻合较好。从数值模拟捕捉到的冲击射流涡结构产生、演化以及耗散的变化现象,分析了冲击距离与远场声压之间的影响因素及涡变化与声源分布关系,发现影响冲击射流的主要噪声源与冲击距离具有很强的相关性。研究表明:障碍物位于10D_e位置处时所接收到的声压级最大,影响冲击射流的主要噪声源为旋涡脱落引起的具有宽频带特性的偶极子噪声源;当冲击距离较远时,主要声源为具有低频特性的自由射流段涡环配对产生的四极子源。     

基于PIV图像处理法的管内低浓度液固两相流颗粒运动特性研究

为了研究管内低浓度液固两相流颗粒运动特性,提出一种基于PIV图像处理法的液固两相流颗粒速度场、涡量场及速度大小的分析方法。通过高速摄影仪获得不同工况下流场的运动图像,运用Canny算子边缘检测法分割图像提取粒子,由互相关函数获得粒子速度和方向,重建二维场。速度矢量场与颗粒运动轨迹相符,说明该方法可用于管内低浓度液固两相流动测量。研究发现:流量越大,流场越复杂,颗粒速度分布越混乱,涡量变化范围越大。流量、浓度和粒径对颗粒速度有显著影响。颗粒速度随浓度、粒径的增大而减小,而随流量增大正好相反。水平管中,颗粒粒径越小,颗粒速度增幅越大,最大约为2倍;流量越大,不同粒径组合下颗粒速度差越大,约达1.5倍。     

合成双射流对下游声压级影响试验

在Ma=0.4的来流条件下, 利用安装在主翼后缘处的合成双射流激励器对襟翼上的流动进行控制, 在风洞中开展了合成双射流对下游声压级影响的研究. 基于脉动压力测量结果, 结合油流显示试验, 得到了合成双射流对下游不同流动状态区域声压级影响的一些结论. 对于附着流, 在其峰值频率附近激励会明显提高其声压级; 对于受旋涡主导的流动, 恰当的合成双射流控制可以降低声压级, 激励频率较为关键. 在俯仰运动过程中, 对于附着流, 激励提高了声压级, 但不改变其迟滞特性; 对于受旋涡主导的流动, 激励对声压级的影响与攻角有关, 能够减弱其迟滞特性, 但激励强度对迟滞特性的影响较小, 减小声压级的最佳激励与运动历程有关.      

轴对称受限射流冲击尖端障碍物流声特性

本文研究了障碍物位于流场不同位置时轴对称射流冲击尖劈障碍物流动和声学特性。应用大涡模型(LES)数值模拟了受限射流流动特性和FW-H方程数值积分求解了远声场噪声频谱和声压级特性,并与自由射流模拟结果进行对比分析。模拟结果表明当障碍物位于自由射流流场转折界面处,自由射流涡环配对失败,使得自由射流主要噪声源被破坏,受限射流声源为障碍物产生的偶极子声源;当障碍物位于自由射流流场充分发展区,自由射流主要声源涡环配对完成,声源为自由射流段四极子声源和障碍物产生的偶极子声源,且随着离喷嘴距离增加,障碍物处流体流动速度减小,远声场相同位置声压级值逐渐减小。     

混流式核主泵内流动结构与压力脉动特性关联分析

核主泵内的流动不稳定将会引起严重振动,不利于其安全稳定运行。因此本文基于大涡模拟(LES)数值计算方法对几个典型工况下核主泵内部非稳态流动结构及其压力脉动特性进行全面阐述与关联性分析。研究表明,随着流量的增加,动静干涉作用在导叶出口处逐渐增加;偏工况条件下,导叶出口处压力脉动频谱低频段中均出现复杂激励频率,尤其是靠近出液管附近的导叶出口处。核主泵在偏大流量工况下运行时壳体右侧内部非稳态流动结构相较于壳体左侧更加复杂;在偏小流量工况下运行时壳体底部压力脉动更加剧烈。本文进一步详细描述了核主泵球形壳体内强涡量区的流动结构及其成因,并且发现测点处的压力频谱与涡量频谱有相同的主要激励频率,因此证明核主泵内非定常旋涡流动结构是激励压力脉动的主因之一。     

等离子体激励在滤清器中应用的试验研究

本文对采用等离子体激励控制滤清器惯性级中的气流分离进行了试验研究。采用粒子成像测速技术(PIV)测量3种不同位置处等离子体激励下的惯性级大分离位置处的速度流场。试验结果表明:等离子体激励产生的诱导气流对流场注入能量,能够增大出口气流的纵向分速。激励的效果与激励位置有关,激励位置越靠近气流分离点,激励效果越明显,出口气流纵向分速越大。因此,选取合适的等离子体激励器贴附位置,可以提高等离子体激励对惯性级中总压损失的控制效果。     

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1#,4#,5#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2#,3#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

贯流风扇偏心涡非定常特性研究

本文应用大涡模拟计算并描述了贯流风扇内部旋涡流动的非定常变化细节.研究结果表明,贯流风扇叶片绕流流态复杂,吸力面存在分离流动,叶片出口形成明显的尾迹区.在蜗舌一侧存在偏心涡,由核心区域和外围区域组成.其中偏心涡的核心区域由两至二三个叶道内气流在内径处分离产生的旋涡团组成,在流动过程中涡量由上游的脱落涡得到补充.偏心涡的外围区域由蜗舌附近回流的旋涡团组成,引起蜗舌表而压力脉动,产生干涉噪声.干涉噪声频谱在低频带上具有较大声压级,最大声压级处的频率和叶轮出口侧叶道的脱落涡频率相关.     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响EI北大核心CSCD

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

压气机叶尖泄漏流动高精度计算模型研究

基于前期所提出的简化的压气机转子叶尖泄漏流动模型,研究泄漏流动中的主流/射流剪切机制和湍流机理。采用DNS方法研究了基于射流狭缝长度的Re=15000的泄漏模型流动。结果表明,低雷诺数下泄漏模型仍能产生类似真实泄漏流的旋涡结构和湍流特性。模型中的流动具有强非定常特性和大尺度旋涡结构,并对泄漏涡中的湍流结构具有重要影响,对该模型流动的研究能够加深对于泄漏流动的机理认识,发展更精确的湍流模型。     

纳秒脉冲表面介质阻挡等离子体激励唯象学仿真

结合NS-DBD实验数据和理论分析, 建立NS-DBD单区非均匀唯象学模型, 旨在通过合理的模型进行流动控制仿真, 揭示流动控制机理. 在平板无来流时, 运用单区非均匀唯象学模型, 通过引入涡量输运方程, 求解涡量方程各项, 分析展向涡形成机理. 展向涡主要是由压力升诱导激励区压力梯度和密度梯度的不正交性产生的, 其次是激励区附近流场的对流引起的涡量转移. 圆柱上的激励仿真得到与实验一致的压缩波结构和冲击波位置, 验证了模型合理性. NACA 0015翼型大迎角分离控制的仿真表明, 激励诱导展向涡促使主流和分离流相互作用, 使分离点移向下游; 脉冲激励频率通过诱导展向涡的数量对流动分离产生不同的作用效果, 本文最佳的无量纲激励频率为6.     

合成射流控制高负荷扩压叶栅分离数值研究

采用数值模拟的方法,研究了合成射流对高负荷扩压叶栅分离流动的控制效果,分析了关键的控制参数激励频率、幅值和位置对控制效果的影响。结果表明,合成射流能够有效削弱高负荷扩压叶栅内的大尺度分离结构。激励频率与原流场的主分离涡脱落频率相近时控制效果占优。激励幅值存在较为明显的阈值,当激励幅值大于该阈值时控制效果较为显著。激励位置位于主分离涡起始位置附近时,控制效果较好。     

旋风分离器内涡核摆动的特性研究

涡核摆动是旋风分离器流体运动的一种非稳定现象,会对流场造成扰动,导致颗粒返混进而影响分离效率.为了探究涡核摆动的规律和机理,本文对单入口蜗壳式旋风分离器内的流场进行研究,运用PDPA测量流场的基本数据,采用Reynolds应力输运模型对其流动进行数值模拟,并定义旋流不稳定性指数TⅡ来分析流动的不稳定性.结果表明,截面Z/D=0.71上瞬时切向速度波动经Fourier变换后,存在一个集中分布的频率,此频率由涡核摆动导致,而且数值模拟结果与实验测量数据吻合较好。通过对涡核中心的运动轨迹分析,发现在整个旋风分离器空间内部都存在涡核摆动现象;在同一时刻,各个截面的涡核中心偏离几何中心的情况并不相同,涡核区域也不一致;各个截面的涡核中心的连线并不在一个平面或者直线上,而是摆动的。此外,分析TⅡ曲线发现气流从不对称的入口结构进入旋风分离器内部,涡核中心开始偏离几何中心,不稳定性逐渐扩大;随着旋流运动向下,入口结构不对称对旋流的影响变小,不稳定性又逐渐减小;流动最终在Z/D=8之后趋于稳定.     

弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响

利用渐近方法求出在弱对流熔体中定向凝固棒状共晶生长的浓度场的渐近解,研究了弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长的影响.结果表明,弱熔体对流对定向凝固中棒状共晶生长有显著的作用;平均界面过冷度不仅与棒状共晶的棒间距、生长速度有关,还与流动强度有关;当生长速度一定时,随着流动强度增大,棒状共晶的平均界面过冷度减小.利用最小过冷原则,获得棒间距与生长速度和流动强度的关系.结果表明,当生长速度比较小时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距增大;当生长速度比较大时,随着流动强度增大,棒状共晶的棒间距变化减弱;棒状共晶的生长速度越小,流动对棒状共晶生长的影响越大.利用本文的解析结果计算在对流条件下Al-Cu共晶的棒间距,结果显示随着转速增大或径向距离增大,共晶的间距增大,这与Junze等的实验结果相符合.