前缘曲率变化对平板边界层感受性问题的影响

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.目前已有的研究成果显示,在声波扰动或涡波扰动作用下前缘曲率变化对边界层感受性机制有着显著的影响.本文采用直接数值模拟方法,研究了在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘平板边界层感受性问题,揭示椭圆形前缘曲率变化对平板边界层内被激发出Tollmien-Schlichting (T-S)波波包的感受性机制以及波包向前传播群速度的影响;通过快速傅里叶分析方法从波包中提取获得了不同频率的T-S波,详细分析了前缘曲率变化对不同频率的T-S波的幅值、色散关系、增长率、相速度以及形状函数的作用;确定了前缘曲率在平板边界层内激发T-S波的感受性过程中所占据的地位.通过上述研究能够进一步认识和理解边界层感受性机制,从而丰富和完善了流动稳定性理论.     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

关于无限薄平板中圆孔的线性声阻

本文提出至今尚未圆满解决的无限薄平板中一个圆孔的线性声阻的理论分析方法,得到了线性声阻率的高频(或大孔径)近似式及低频(或小孔径)极限值;理论计算和实测值符合良好;最后给出了在全频率范围适用的声阻率近似公式。 关键词：     

三维边界层内定常横流涡的感受性研究

层流向湍流转捩的预测与控制一直是研究的前沿热点问题之一,其中感受性阶段是转捩过程中的初始阶段,它决定着湍流产生或形成的物理过程.但是有关三维边界层内感受性问题的数值和理论研究都比较少;实际工程问题中大部分转捩过程都是发生在三维边界层流中,所以研究三维边界层中的感受性问题显得尤为重要.本文以典型的后掠角45?无限长平板为例,数值研究了在三维壁面局部粗糙作用下的三维边界层感受性问题,探讨了三维边界层感受性问题与三维壁面局部粗糙长、宽和高之间的关系;然后,考虑在后掠平板上设计不同的三维壁面局部粗糙的分布状态、几何形状、距离后掠平板前缘的位置以及流向和展向设计多个三维壁面局部粗糙对三维边界层感受性问题有何影响;最后,讨论两两三维壁面局部粗糙中心点之间的距离以及后掠角的改变对三维边界层感受性的物理过程将会发生何种影响等.这一问题的深入研究将为三维边界层流中层流向湍流转捩过程的认识和理解提供理论依据.     

平板边界层转捩过程中低频信号的产生

利用Fourier频谱分析和小波变换处理在平板边界层转捩过程中测得的速度信号,观察到频谱中存在低于基本扰动波频率的含能信号,即文中所谓的低频信号.在进一步分析中,发现这种低频信号的产生可能与流动的间歇性有关.由于流动的间歇性导致速度信号的脉动,数据结构产生间歇变化,这种信号并不一定对应于流场中的某一物理结构的真实频率 关键词： 边界层 转捩 Fourier频谱分析 小波变换     

平板前缘分离抑制的周期性激励研究

本文采用大涡模拟对平板前缘分离在周期性来流激励作用下的流动结构进行了数值研究。将计算得到的结果与实验数据进行了对比。在此基础上,对涡量等值面和Q准则可视化手段进行了比较。通过研究不同外部周期性激励频率抑制分离的效果,讨论了有效外部扰动频率与分离区域特征频率的关系。结果显示,外部频率为f_(shear)、f_(shed)、1/2f_(shear_时分离抑制明显,其中1/2f_(shear)效果最佳。当分离区域显著减小时,流动具有明显的周期性;当在外部扰动作用下的分离抑制效果很弱时,外部扰动无法直接在分离区域中促成对应尺度的涡生成。     

高速流绕平板边界层特性研究

本项高超声速流绕平板的边界层特性实验研究在中国航天空气动力技术研究院(CAAA)的炮风洞中完成.为了研究分离流动特性, 选择了一项实验研究, 通过实验分别提供绕模型的附着流动与分离流动实验结果.其中第1个模型为顺流平板, 第2个模型为平板上安装突起物, 它们分别对应附着流与分离流动.文章专题研究平板绕流, 为附着流, 它是分离流动的基础.      

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

波浪前缘降低后掠叶片前缘噪声数值模拟研究

采用大涡模拟(LES)结合Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程研究了波浪前缘对后掠叶片前缘宽频噪声的降噪效果。通过放置于叶片上游的圆柱产生各向异性的湍流,湍流与后掠叶片相互干涉产生宽频噪声。气流流速设置为40m/s,基于叶片弦长和基于圆柱直径的雷诺数约为400000和26000。在该研究中,研究对象为直前缘后掠叶片和波浪前缘后掠叶片。结果表明:当来流为各向异性的湍流时,波浪前缘可以降低叶片干涉噪声,并且在各个远场方位角下均能降低噪声总声压级而不改变其指向性,添加波浪前缘叶片降噪量约为2.3~3.4 dB。通过分析计算流场发现,波浪前缘可以改变后掠叶片前缘周围气流的流动方式,降低叶片前缘周围的压力脉动和叶片的不稳定载荷。     

高超声速平板边界层流动显示的试验研究

本文在高超声速脉冲式风洞内对基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-based planar laser scattering, NPLS)的应用进行了探索, 并在此基础上对平板边界层流动结构的精细测量进行了研究. 试验来流Ma=7.3, 总压4.8 MPa, 总温680 K. 通过时序的分析和调试, 对各分系统实现了高精度的同步控制; 定量的粒子注入及混合, 实现了粒子的均匀撒播, 对主流获得了均匀的显示效果; 对于边界层流动, 获得了精细的瞬态流动结构图像, 显示了层流到湍流的转捩过程, 并分析了其时空演化特性.     

无限薄透镜组的基本参数

斯留莎列夫研究了在Ⅲ级象差范围内,利用光学系统薄透镜模型计算光学系统的理论,变量分离法在这种理论中占有重要位置,并且运用所谓基本参数P、W、π只与光学系统的内部原件有关。如果透镜焦距为正,确定无限薄透镜组的基本参数就用于物体处于无穷大时,并     

湍流边界层内流向涡的数值模拟研究

采用准二维共振三波作为湍流边界层近壁区相干结构初值,用直接数值模拟方法计算了流动从二维结构发展到三维结构并且伴随流向涡生成的整个过程,分析结果显示流向涡对湍流动能和质量传输有着重要作用,是湍流边界层相干结构的重要特征和运动形式.     

前缘形状对钝三角翼边界层稳定性及转捩的影响

选择典型高速流动条件,基于线性稳定性理论研究了不同前缘几何特征对典型大后掠角平板钝三角翼外形高速边界层流动稳定性及转捩的影响.研究表明,椭前缘(截面为椭圆)形状的变化仅影响前缘附近的流场特征和边界层流动稳定性;前缘截面长短轴比(形状因子)变大,前缘形状变尖,则横流速度变大,扰动波增长率变大;对于横流模态和第1模态,不同...     

平板湍流边界层瞬时摩擦阻力的光学测量和统计分析

采用近壁粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）技术实现了中低Reynolds数光滑平板湍流边界层瞬时摩擦阻力的测量.发展了单行互相关算法和迭代拟合技术估算瞬时摩擦阻力,其法向空间分辨率可达到2~4 pixel.作为对比,同时分析了相似Reynolds数范围的直接数值模拟数据.统计结果表明:摩擦阻力的脉动强度随Reynolds数升高呈现对数增长趋势,证实了外区大/超大尺度结构对壁面的影响.谱分析结果表明近壁区的低速条带结构主导着摩擦阻力的多尺度脉动特性,外区大/超大尺度结构对摩擦阻力的印迹作用较小,其主要通过调制作用实现对摩擦阻力的影响,这一结论可以从瞬时摩擦阻力的偏度以及概率密度函数曲线具有Reynolds数不变性得到进一步证实.      

系统电磁脉冲一维边界层的数值模拟

应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2 keV、发射率为3.3×10²⁰ m^-2·s^-1的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得出稳态后电子所能到达的最大距离约在5.8~7.5 cm之间振荡;发射表面z=0处的电荷密度在(6.0~9.0)×10^－6 C/m³之间振荡;表面电场值在50~55 kV/m之间振荡;边界层达到准稳态的时间约为14.0 ns。将稳态模拟结果和理论估算结果进行对比,模拟结果较理论结果更加准确、形象地反映出SGEMP一维边界层的形成过程及稳态结构。     

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTκ-ε模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

单孔蒸汽射流冲击平板换热的数值研究

对充分发展的过热蒸汽湍流射流冲击平板的流动和换热进行了数值研究,分析了射流温度和射流雷诺数对蒸汽射流冲击换热的影响,并与空气射流冲击换热进行了比较。通过AKN k-ε、V2F和SST k-ω三种湍流模型计算结果的对比可知,SSTk-ω模型模拟冲击射流流动和换热的效果最好。研究表明:在相同条件下蒸汽的冲击换热能力强于空气;射流温度的变化对空气的冲击换热基本没有影响,但是对蒸汽有较大影响;射流雷诺数越大,则蒸汽冲击射流的换热越强。