变高度圆柱诱导的激波边界层干扰

采用分区方法及Ｒｏｅ三阶流通量差分分裂格式求解雷诺平均Ｎ－Ｓ方程,湍流附加黏性系数用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型计算,数值模拟了高超声速条件下变高度圆柱诱导的激波边界层层干扰,其流场的主要特性均与实验结果一致或规律相同,结果清晰地展示了流场结构以及气动载荷分布随柱高度的变化特征,产说明激波碰撞和旋涡运动都可能导致飞行器表面局部气动载荷的增加。     

激波/湍流边界层干扰压力脉动特性数值研究

激波/湍流边界层干扰问题广泛存在于高速飞行器内外流动中, 激波干扰会导致局部流场出现强压力脉动, 严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 为了考察干扰区内脉动压力的统计特性, 对来流马赫数2.25, 激波角33.2°的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了直接数值模拟研究. 在对计算结果进行细致验证的基础上, 分析比较了干扰区外层和物面脉动压力的典型统计特征, 如脉动强度、功率谱密度、两点相关和时空关联特性等, 着重探讨了两者的差异及其原因. 研究发现, 激波干扰对外层和物面压力脉动的影响差异显著. 分离区内脉动以低频特征为主, 随后再附区外层压力脉动的峰值频率往高频区偏移, 而物面压力脉动的低频能量仍相对较高. 两点相关结果表明, 外层和物面脉动压力的展向关联性均明显强于其流向, 前者积分尺度过激波急剧增长随后缓慢衰减, 而后者积分尺度整体上呈现逐步增大趋势. 此外, 时空关联分析结果指出, 脉动压力关联系数等值线仍符合经典的椭圆形分布, 干扰区下游压力脉动对流速度将减小, 外层对流速度仍明显高于物面.      

三维不可压缩边界层分离流的反解法

本文提出了计算具有分离区的三维层流和湍流边界层的一种反解法。计算中采用了半正交曲线坐标系和涡粘性各向异性湍流模型。数值分析中采用了变换域技术和 Keller分块差分格式。用本文方法计算了一个三维边界层分离流实例,计算结果同实验数据吻合得很好。     

大湍流度高雷诺数时并列双圆柱的平均和脉动压力分布

本文通过风洞实验研究了来流湍流度,Iu=10％雷诺数分别为Re=1.95×10~9和Re=6.5×10~5时单个圆柱和不同间距比下并列双圆柱的平均和脉动压力分布。结果表明:在Re=1.95×10~5时单个圆柱的平均压力分布类似于低湍流度高超临界雷诺数时的压力分布;当雷诺数增大至6.5×10~5时,绕圆柱表面流动的分离点前移和背压绝对值提高,总的阻力系数随之增加。并列双圆柱的间距比变化对圆柱表面压力分布影响很大,在极小间距比(N/d=1.05)时,双圆柱间的缝隙流使附近柱面产生高达-5的压力系数峰值(Re=6.5×10~5),同时脉动压力也大为增加;在较小间距比时(1.5     

NUMERICAL PREDICTION OF FORCE ON RECTANGULAR CYLINDERS IN OSCILLATING VISCOUS FLOW

Numerical results are presented for an oscillating viscous flow past a square cylinder with square and rounded corners and a diamond cylinder with square corners at Keulegan–Carpenter numbers up to 5. This unsteady flow problem is formulated by the two-dimensional Navier–Stokes equations in vorticity and stream-function form on body-fitted coordinates and solved by a finite-difference method. Second-order Adams-Bashforth and central-difference schemes are used to discretize the vorticity transport equation while a third-order upwinding scheme is incorporated to represent the nonlinear convective terms. Since the vorticity distribution has a mathematical singularity at a sharp corner and since the force coefficients are found in experiments to be sensitive to the corner radius of rectangular cylinders, a grid-generation technique is applied to provide an efficient mesh system for this complex flow. Local grid concentration near the sharp corners, instead of any artificial treatment of the sharp corners being introduced, is used in order to obtain high numerical resolution. The elliptic partial differential equation for stream function and vorticity in the transformed plane is solved by a multigrid iteration method. For an oscillating flow past a rectangular cylinder, vortex detachment occurs at irregular high frequency modes at KC numbers larger than 3 for a square cylinder, larger than 1 for a diamond cylinder and larger than 3 for a square cylinder with rounded corners. The calculated drag and inertia coefficients are in very good agreement with the experimental data. The calculated vortex patterns are used to explain some of the force coefficient behavior.     

干扰剪切流动(ISF)和边界层流动及ISF理论在计算流体力学(CFD)中的应用

简述作者提出的干扰剪切流动(ISF)理论、近壁复杂ISF理论、推论和它们在CFD中的应用.ISF是小黏性流体运动中普遍存在的一种基本流动,如驻点流、近壁黏性-无黏干扰流动,干扰可忽略时ISF的黏性部分为熟知的边界层流动.ISF理论揭示了高$Re$数流动计算的最佳坐标系和最佳网格生成.由近壁复杂ISF理论与流体运动方程组及流速在壁面无滑移条件相结合导出一组壁面相容(SC)判据,该判据提供了利用CFD仿真结果判断CFD仿真可信度的理论途径、并为近壁网格、算法和边界处理的改进和三者的更好协调、为湍流模型的评估、改进和发展提供了一种理论途径.      

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

INTERFERENCE OF SHOCK AND BOUNDARY LAYER IN SUPERSONIC FLOW

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

FLUID BEHAVIOUR OF SIDE-BY-SIDE CIRCULAR CYLINDERS IN STEADY CROSS-FLOW

The flow field for two and three circular cylinders of equal diameter D arranged in a side-by-side configuration in steady cross-flow was investigated using flow visualization, hot-film anemometry and particle image velocimetry (PIV), for centre-to-centre pitch ratios from T/D=1·0 to 6·0, and Reynolds numbers from Re=500 to 3000. For two-cylinder arrangements, three basic flow patterns were observed: single bluff-body vortex shedding at small T/D , biased flow with synchronized vortex shedding at intermediateT /D , and symmetric flow with synchronized vortex shedding at larger T/D . For three-cylinder arrangements, either single bluff-body behaviour or an asymmetric biased flow pattern could be observed at smallT /D , whereas a symmetric-biased flow pattern was found at intermediate T/D . Instantaneous representations of the in-plane vorticity field obtained from the PIV technique revealed some variation in these basic flow patterns at given T/D and Re.     

内燃机气缸内湍流流动的数值模拟

本文基于快速压缩假设,对不可压流的标准κ-ε的双方程湍流模型进行了压缩性修正。8方程增添了两项,其系数C_3,C_4的取值根据压缩方式的空间维数确定。同时引入Richardcon来修正系数C_2,以考虑旋流影响。将此模型应用于内燃机气缸内压缩过程。计算结果表明,本模型能预测湍流参数,特别是湍流尺度的变化规律并与实验基本吻合。     

波包在后掠翼三维边界层中的演化特征

研究了点源产生的孤立波包在后掠平板三维边界层中的演化特征．理论计算的波包增长路径和ＮｉｔＳＣｈｋｅ－Ｋｏｗｓｔｙ所做流场显示得到的条纹结构一致,证明条纹是波包的等相位线;波包方程的渐近解表明在三维边界层中ｅＮ方法应沿着为实数的方向积分;ｅＮ方法过高预测了扰动幅值的增长率,与Ｄｅｒｈｌｅ的实验结论一致．     

ONSET OF ASYMMETRY: FLOW PAST CIRCULAR AND ELLIPTIC CYLINDERS

A computational study of the development of two- dimensional unsteady viscous incompressible flow around a circular cylinder and elliptic cylinders is undertaken at a Reynolds number of 10,000. A higher- order upwind scheme is used to solve the Navier–Stokes equations by the finite difference method in order to study the onset of computed asymmetry around bluff bodies. For the computed cases the ellipses develop asymmetry much earlier than the circular cylinder. The receptivity of the computed flows in the presence of discrete roughness and surface vibration is studied. Finally, the role of discrete roughness in triggering asymmetry for flow past a circular cylinder is studied and compared with flow visualization experiments at Re=10,000     

叶轮机内附面层流动与分离的某些研究进展

通过总结有关叶轮机内附面层的研究工作认为,周期性扫掠的上游尾迹改变了附面层的转捩方式,给附面层流动带来了强烈的非定常性,不同的尾迹强度和扫过频率决定了附面层内不同的时空结构; 此外,雷诺数、叶片负荷、表面粗糙度和来流条件等因素均能影响尾迹对附面层的非定常效应.随后总结了尾迹对附面层作用的机理, 并介绍了转捩模型的发展过程.最后提出了关于附面层研究方向的两个疑问,认为附面层分离后的复杂旋涡流场值得重点关注.      

高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题. 随着飞行速域与空域的不断拓展, 高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效, 从而深刻影响流动转捩过程. 相关研究涉及多个学科, 是典型的多物理场耦合问题. 近年来, 随着相关飞行器技术的快速发展, 高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现, 相关研究已成为国际上的热点领域. 本文综述相关研究进展, 首先介绍目前常用的高温气体物理模型, 尤其关注热化学非平衡模型, 并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法, 以及相关风洞和飞行试验技术的进展. 然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究, 其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣. 最后进行总结, 并对未来发展略作展望.      

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

并列弹性双圆柱在均匀流场中的流体激励力的研究

实验研究了并列弹性双圆柱体在均匀流场中的水动力特性，其中包括柱表面稳态及脉动压力系数，稳态阻力及升力系数，脉动阻力和升力系数，结果表明：Ｖ＿ｒ＞Ｖ＿（ｒｃ）时，柱的振动对其流体激励力有明显影响。     

粗糙度动力学特性的初步研究

建立了一个描写粗糙壁面附近流场的理论模型，并进行了相应的数值分析，发现粗糙度具有随机边界层外部风速的增大而减小的动力学特性，这与最新的实验结果相符合，说明粗糙度不但是一个与壁面形态有关的几何参数，而且是一个与粗糙壁面附近流场流场情况有关的动力学参数，从理论上打破了粗糙度仅依赖于粗糙壁面几何形态的传统看法。     

大气边界层的一些空气动力学特征

本文在定常和中性温度层结条件下,首先介绍了均匀平坦地面上大气边界层的一些空气动力学特征,并将大气边界层与一般空气动力学边界层作了比较。然后介绍了地面粗糙度分布有阶跃变化以及非平坦地形上的大气边界层特征。文中说明,气流的平均流场结构以及湍流特性与均匀平坦地面的情形相比有显著不同。最后,提出了一些有待今后进一步研究的问题。      

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

侧柱对串列双柱脉动压力的干扰

研究了串列双圆柱旁加上一个等直径的圆柱，组成一个等边三角形排列的三圆柱的脉动压力分布．着重研究侧柱对串列双圆柱脉动压力分布的影响．研究的结果表明，绕流等边三角形排列的三圆柱，受影响最严重的是后柱．脉动压力分布出现了严重的不对称，外侧的压力脉动极其强烈，内侧的压力脉动较弱，与时均压力分布，很好的对应关系．另外，侧柱对于串列双圆柱是否达到超过临界间距的绕流流态，有很大的影响