确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究

利用高时间分辨率粒子图像测速(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)技术,在不同雷诺数下对光滑壁面和二维顺流向、三维正弦波(two/three dimensional, 2D/3D)沟槽壁面湍流边界层流场进行了实验测量,从不同沟槽对湍流边界层相干结构影响的角度分析了其减阻的机理.对比不同壁面的各阶统计量结果发现:沟槽降低了壁面摩擦阻力,存在减阻效果,正弦波沟槽的减阻率增大.运用相关函数、λ_(ci)检测准则等方法提取了不同壁面湍流边界层发卡涡和低速条带等典型相干结构的空间拓扑形态,结果表明:两种沟槽壁面的相干结构在流向和法向上的空间尺度均有不同程度的减小,且相干结构与主流之间的倾角趋于更小,流体在法向上的运动及结构的抬升受到明显抑制,发卡涡诱导喷射和扫掠的能力降低,从而影响了湍流中能量与动量的输运过程及湍流的自维持机制,且相比于2D沟槽, 3D正弦波沟槽作用效果更为明显.在同一雷诺数下,随着距离壁面法向位置的增加,不同壁面湍流边界层低速条带的展向间距都变宽;但同一法向位置处2D/3D沟槽壁面湍流边界层低速条带的间距与光滑壁面的相比更宽,沟槽的存在有效抑制了低速条带在展向上的运动,使得低速条带更稳定.     

低速压气机叶栅附面层分离的实验研究

本文利用表面热膜对某高负荷压气机叶片吸力面附面层的分离过程进行了实验研究,捕捉到了边界层分离点的位置及其随攻角的变化情况,给出了利用表面热膜测量的准壁面剪切应力米预判分离先兆和分离点位置的判据.同时,分析了 Re数对附面层分离特性的影响.结果表明:准壁面剪切应力及其均方根极小值对应的位置点是进入分离泡内的第一个测量点;在所有测量的工况条件下,表面热膜都捕捉到了吸力面附面层的长分离泡,并能准确捕捉到攻角所引起的分离点位置变化;低Re数下,Re数对附面层分离影响较小.     

低Reynolds数翼型绕流主动控制技术

在低Reynolds数条件下,翼型绕流的上表面边界层由于抗逆压梯度能力变差容易发生流动分离,从而形成长层流分离泡.分离泡通常是非定常的,会诱发边界层的转捩、再附并形成湍流边界层.这个过程会使翼型的气动性能急剧下降,并伴随着强非线性效应.转捩后形成的湍流边界层也会产生高摩擦阻力.针对这种现象,文章以NACA0012翼型为例,通过隐式大涡模拟研究了有效的主动控制方案.为了统一分离控制技术和湍流边界层减阻技术,研究了在平板或槽道湍流中取得较好控制效果的壁面垂向反向控制方案.首先利用隐式大涡模拟研究了低Reynolds数条件下NACA0012翼型绕流的流场特征.其次分析并验证了反向控制方案在分离区控制流场的可行性,发现反向控制在分离区的作用相当于基于流场信息的壁面抽吸控制,且控制具有实时性和高效性,控制抽吸了前缘的低能流体,使得翼型前缘附面层变薄,并增强了其抗逆压梯度的能力,较大程度提高了翼型的气动性能.最后在湍流边界层验证了其减阻控制效果,发现反向控制阻断了流向涡的法向输运,抑制了涡结构的发展,并减弱了猝发过程,使得湍流的高摩阻力得到了有效降低.      

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。     

带肋通道和气膜冷却交互下的绝热和耦合传热研究

燃气轮机透平叶片冷却中,内部肋片扰流对气膜冷却效果有显著影响,当边界条件为金属壁面绝热和金属壁面耦合时,冷却效率会有不同的表现。本文采用数值计算方法,分别计算绝热边界和耦合边界条件下,气膜孔进口与内部冷却扰流肋片不同相对位置条件下的绝热气膜冷却效率和耦合条件下的整体冷却效率进行计算。结果表明当气膜进口位于肋后扰流区时,绝热气膜冷却效率较差。绝热边界和耦合边界条件下流场相似,气膜孔与肋片相对位置对于气膜孔下游整体冷却效率的影响与绝热条件相似。     

高压透平导叶的DDES模拟

本文通过DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)方法分别研究了绝热壁面条件和等温壁面条件下跨音高压透平导叶LS89中的基本流动现象.首先将DDES计算结果和实验数据以及文献中的LES计算结果进行了对比,证明了DDES方法计算的可靠性以及对于非定常流场精细结构的出色分辨力;而后本文研究了跨音速高压透平导叶LS89通道内的激波、尾迹、边界层等流动现象以及激波和尾迹的相互干涉,并对比了两种不同壁面传热条件对流动的影响。     

粗糙壁面上湍流边界层的直接数值模拟

本文采用多重直接力内嵌边界法计算流体与粗糙壁面之间的相互作用力,直接数值模拟了粗糙壁面上湍流边界层的流动状况。粗糙壁面则通过流向和展向分别叠加正弦函数的方法产生。研究发现,峰值较大的位置优先诱导产生出涡结构,并且加大了涡结构的倾斜角度。此外,较大峰值处的粗糙度所产生出的"喷出"和"扫入"事件更加强烈,其对外层的作用范围也就更大。同时粗糙壁面的峰值大小对于雷诺应力的输运也起着至关重要的作用。     

基于Omega涡识别方法的诱导轮内非定常空化流动分析

为精确捕捉诱导轮中空化的行为特征并揭示其非定常流动机理,采用大涡模拟(LES)对一凝水泵诱导轮在设计工况、临界空化数下单独进行数值分析。基于Omega涡识别方法,对诱导轮内空化流动的流动结构及空化泡的关系进行研究。结果表明,Omega涡识别技术可以很好反映流动结构(剪切流与旋转流)与空化泡的关系：设计流量、临界空化数下,诱导轮叶片入口附近空化泡主要集中在轮缘附近的回流区内,回流区内部流动主要以剪切流的形式存在;而在流道中的回流区内流动主要以旋转运动为主,且空化泡主要集中在回流区与主流的剪切层区。     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

低雷诺数下周期性尾迹／层流分离泡相互作用的大涡模拟

本文采用大涡模拟(LES)方法,对低雷诺数条件下周期性尾迹/层流分离泡的相互作用进行了数值模拟.计算域入口尾迹采用独立计算的平面尾迹流给出.对周期性尾迹作用下的层流分离泡进行了统计特性及瞬态流场分析,并与相同条件下的无尾迹流动进行比较.计算结果表明:在尾迹作用下,时均层流分离泡长度明显缩短,分离泡变小;相位平均的分离点/再附点随时间不断变化;从瞬态结果容易看出,尾迹诱导的流向涡结构是导致分离泡提前转捩的主要原因.     

高负荷低压涡轮边界层转捩预测及其机理分析

本文利用数值模拟方法在不同雷诺数、自由来流湍流度(FSTI)下对某高负荷低压涡轮叶型边界层转捩流动进行了数值模拟,并与实验测试结果进行了对比。结果表明:该转捩模型在不同的雷诺数和FSTI情况下均可以得到满意的数值计算结果,而仪仪利用湍流模型得不到合理的计算结果;当进口特征雷诺数较低时,叶型表面长分离泡的出现在很大范围内改变了壁面处的静压分布;随着自由来流湍流度的提高,叶型吸力面分离点的位置靠后且其对应的再附点位置靠前,即分离泡长度较短,高来流湍流度可以减小叶型吸力面的分离区域,减小叶型损失。而较低的自由流湍流度则在叶型尾缘对应着较长的分离泡,增大了流动分离再附的预测难度。     

固定床气体吸附过程温升的计算模型

本文采用等温模型、非等温绝热模型和非等温定壁温模型对二氧化碳占10%的二氧化碳氮气双组分气体在吸附剂沸石13X上吸附过程进行了数值模拟,并对结果进行了分析.结果表明三种模型计算的结果差别很大,非等温非绝热模型的分离效果,温升幅度均处于另两种模型之间,温度对吸附过程有着巨大的影响,必须考虑边界条件和吸附剂热物性的影响.采用非等温非平衡模型进行吸附过程模拟是最合理的.     

超声速三维空腔流气动噪声被动控制

抑制超声速武器舱空腔流噪声是航空领域中一项重要课题。大量研究表明在空腔前缘采用主/被动控制技术可以在一定程度上抑制腔内噪声水平。利用大涡模拟(large eddy simulation, LES)技术计算分析了Mach 1.4开式矩形方腔及波形、弧形两种前后壁几何修形后空腔的流动及噪声, 探索超声速来流条件下几何修形被动控制技术对开式方腔流噪声的抑制能力。计算结果表明波形和弧形空腔对腔内噪声均具有一定的抑制作用, 且波形空腔噪声控制效果更优。分析认为空腔几何修形能够改变空腔上方剪切层及腔内大尺度涡结构的发展演化, 进而实现对腔内噪声的控制。此外, 还应用LES方法计算分析了增厚的来流边界层条件下超声速方腔流, 发现来流边界层增厚可显著降低腔内噪声水平。      

三角肋条大涡模拟与减阻机理研究

已有实验表明三角肋条具有较好的表面减阻效果,但雷诺时均湍流模型难以模拟与揭示肋条减阻机理。本文采用大涡模拟(LES)对下壁面安装肋条的槽道流进行模拟,通过减阻率与实验值的对比以及平均速度剖面和脉动速度均方根等与直接数值模拟(DNS)结果的对比确认本文计算的准确性。根据计算的流场细节分析表明:肋条通过增加近壁区的边界层厚度,抑制流向涡的发展,减少近壁活动,使得近肋条壁面的剪切力比平板的剪切力小而获得减阻。     

低压高负荷涡轮叶栅的大涡模拟

了解预测转捩与层流分离泡,对于低压高负荷叶片设计特别重要.为此,采用大涡模拟方法,对典型高负荷叶栅T106进行了模拟.计算描述了层流分离泡,给出了壁面压力、壁面摩擦力系数的分布,从而准确预测了T106压力面上的层流分离、转捩、湍流再附现象.计算同时刻画了层流分离泡的非定常性质,给出了瞬时压力,进行了频谱分析,确定主频为2500 Hz,并观察到了瞬时涡等有意义的现象.计算同时表明二维大涡模拟计算结果可以复现出湍流的许多重要现象并且精度可以满足工程需要.     

高超声速湍流流动磁流体动力学控制机理

基于低磁雷诺数假设建立完全气体湍流流场、磁场耦合模型.数值计算方法上,通过AUSMPW+格式和LUSGS隐式处理方法求解磁流体动力学湍流流动方程,其中湍流模型采用Spalart-Allmaras模型.分析了不同外加磁场条件下平板及压缩拐角湍流边界层流动控制效果.研究表明:湍流边界层磁流体动力学流动控制效果与洛伦兹力大小正相关;外加磁场作用下,洛伦兹力的方向和流动方向相反,此时洛伦兹力起到减速的作用,减少了近壁面流体的动量,降低了边界层抵抗分离的能力;逆流向洛伦兹力减小了壁面的剪切应力,从而降低湍流流场壁面摩擦阻力系数,洛伦兹力对流体做负功,边界层内温度增加;磁相互作用位置对磁流体动力学分离区控制效果存在较大影响,工程应用中需配置合理的磁场布局方案.     

近固体表面拟有序液体边界层的导热研究

本文用分子动力学模拟方法研究了近固体壁面拟有序液体边界层及其导热特性。得出分子密度沿垂直壁面方向呈衰减分布,且拟有序层内的分子运动方式接近于晶体分子。结合径向分布函数定量分析得出拟有序层的有序程度随固液耦合作用加强而增加。用G-K公式计算了拟有序层的导热系数,发现其与物件尺度、边界条件有密切关系。但在相同的边界条件下,导热系数随有序程度的增加而增加。     

湍流槽道内近壁区域脉动速度特性研究

本文采用直接数值模拟方法(DNS)研究了单相槽道流动问题.采用联合密度函数对近壁面区域内脉动速度分量进行了象限分析,同时,对脉动速度进行了概率密度分析及频谱分析,从而对近壁区域内流动的概率事件,速度概率分布及不同频率的涡对速度场的影响有了清晰的认识。研究发现,方向性事件主要集中在对数层以下,低频涡对于流向和法向脉动速度的贡献随着法向高度增加而增大,并且在近壁面上展向速度的脉动在对数层以及黏性底层存在较大脉动强度。     

狭窄通道湍流纵向涡强化换热实验和数值研究

本文采用实验的方法,研究了单面加热矩形狭窄通道内,翼片型纵向涡发生器对流动换热的强化作用.在此基础上,应用大涡模拟的方法对通道内的瞬态流场及其对壁面对流换热的影响进行了研究,并将数值模拟与实验进行了比较.结果表明,通过添加翼片可以在流动中产生涡流,强化壁面边界层与流体的物质和能量交换,并验证了将大涡模拟应用于纵向涡强化换热研究的可行性.