超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验*

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 k Hz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

 针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。     

封闭圆内开缝圆自然对流的非线性特性研究

本文通过数值计算对封闭圆内开缝圆自然对流的非线性特性进行了研究。数值计算以整个流场为计算区域,采用非稳态数学模型和具有QUICK差分格式的SIMPLE算法。计算结果表明,在不同参数下流动和换热存在稳态定常解、周期性振荡解、拟周期性振荡解和非周期性振荡解。稳态定常解的相图是一个点;周期性振荡解的相图是一个极限环,对应功率谱含一个基频及其谐波;拟周期性振荡解的相图为环面,对应功率谱含两个不相关的频率及它们的线性组合频率;非周期性振荡解的功率谱为无规则的宽带连续谱。     

三级离心压缩机非定常流动与交变应力的数值研究

以三级天然气离心压缩机为研究对象,采用非定常流动和流固耦合方法,研究了离心压缩机在三种转速、多个流量工况下的内部非定常流动和叶片交变应力。研究表明:流场关键监测点处的压力脉动以叶片通过频率为主,在偏离设计工况下压力脉动频率成分较复杂,但是以叶片通过频率为主导;同一工况下,监测点压力脉动幅值逐级增加;同一转速下,随着流量增大,叶片交变应力幅值呈现出先减小后增加的趋势,并且随着转速提高而增大。     

低Reynolds数下合成双射流控制结冰翼型流动分离的数值模拟

通过FLUENT软件数值模拟的方法,分别对结明冰、混合冰、霜冰翼型的气动特性进行了研究,分析了合成双射流对改善结冰翼型流动分离的影响规律.结果表明:3种冰形均破坏了翼型的流线型,对翼型的气动力特性有不同程度的影响,其中霜冰对翼型气动力特性影响最小,明冰对翼型气动力特性影响最大,混合冰介于两者之间.开启合成双射流激励器,在小攻角情况下,结冰翼型的气动特性得到了有效的改善.而在大攻角情况下,合成双射流激励器不能完全消除分离涡,但可以推迟分离涡,分离涡厚度增加,分离涡最厚点推后.      

脉动流化床内球柱形颗粒流动行为研究

本文结合离散单元模型和计算流体力学方法对脉动流化床内气固流动特性进行数值模拟.结果表明,脉动气流的波形和振幅对球柱形颗粒的流动行为有明显的影响.方波脉动气流作用下的时均颗粒总平动和旋转动能最大,其次是正弦波脉动和三角波脉动,恒定气流下的最小.功率谱分析结果可以发现方波气流下主频幅度最大,其次是正弦波、三角波和恒定气流....     

水平管段塞流压力/压差波动特性分析

本文在对水平管段塞流压力波动特性进行理论分析的基础之上,对其压力/压差波动特性进行了试验研究。结果表明,折算液速对段塞频率的影响作用远大于折算气速的影响作用;分别增加管线中的气量、液量,或者气液量同时增加,均会造成管线运行过程中均值压力/压差和最大压力/压差的增加;压力信号的概率密度分布大部分呈双峰分布,但其中也存在单峰和多峰分布;压差信号的概率密度符合正态分布;压力信号的功率谱密度具有频率波动范围窄、幅值大的特点;与同工况压力信号的功率谱密度相比,压差信号的功率谱密度具有频率波动范围宽、幅值小的特点。     

大型风电机组叶片不同方位角下载荷智能控制效果分析

本文基于自主搭建的带有柔性尾缘襟翼(DTEF)控制的气动伺服弹性耦合仿真计算平台,首先从整体上论证了DTEF对降低风机叶片疲劳载荷的有效性,得到不同风速下风机叶片的叶根挥舞力矩按方位角的分布特性,在此基础上分析了DTEF能够降低叶片疲劳载荷的作用机理。最终得到结论:基于DTEF的智能叶片控制在不影响电机功率输出量的前提下可以有效降低叶片的疲劳载荷,减小电机输出功率、推力、桨距角的波动;不同轮毂高风速下DTEF的作用效果按方位角的分布规律不同;从参数的方位角分布规律分析出智能叶片控制机理,即DTEF引入破坏了原有叶片的气弹耦合特性,减弱叶片承受气动力,从而有效降低了叶片疲劳载荷。本文工作为未来明确智能叶片流动控制机理和优化载荷控制提供参考。     

飞行器大攻角非定常气动特性神经网络建模

大攻角气动特性预测与气动建模是新型飞行器提升飞行性能的重要内容.以轴对称导弹简化模型为研究对象，首先采用计算流体力学方法，对70°大攻角状态的非定常气动特性进行数值模拟，计算方法基于RANS的N-S方程，湍流模型采用SA模型，对流场采用有限体积法离散，无黏项采用Roe通量差分分裂格式，黏性项采用中心差分，时间推进采用LU-SGS格式的双时间步法.飞行器运动模式采用强迫振荡的方式，对5种不同振荡频率进行了非定常数值计算，并记录每一内迭代周期最终的气动力和力矩数值.其次，以CFD预测结果作为气动建模的样本，采用动导数模型、多项式模型等传统方法，进行气动建模，并分析其有效性和精度.最后采用神经网络方法对大攻角非定常气动力进行建模，并和动导数模型、多项式模型进行精度对比.结果表明，基于神经网络的人工智能气动建模方法具有较高的精度和适应性.该方法为飞行器大攻角非定常非线性气动建模，大攻角飞行稳定性分析与控制提供理论参考.      

用分数阶微分实现时频重叠多模式兰姆波的模式分离

为了分离时频重叠多模式超声兰姆波,提出了一种用分数阶微分理论实现多模式兰姆波模式分离的方法。以时频重叠的S1和A1模式混合信号为例,用赛利斯分布作为幅值谱的模型,首先对信号做频散补偿,由补偿后信号幅值谱分数阶微分推导了幅值谱特征参数的计算式并根据信号模型重建幅值谱,然后结合兰姆波的频散特性推导出对应的相位谱,并通过幅值谱和相位谱重构各模式的信号,实现模式分离。对1 mm钢板中仿真时频重叠的S₁和A₁模式信号分离结果显示分离出信号的幅值和带宽相对误差小于6%,中心频率相对误差小于0.25%。实验结果也证实了方法的可行性。因此当混合信号幅值谱不完全交叠时,本方法可以实现多模式兰姆波信号的分离,有助于多模式兰姆波频散信号的分析和识别。      

双三角翼非定常俯仰运动实验与数值模拟

文章针对双三角翼大振幅正弦俯仰运动过程中的非定常载荷和流动特性开展了实验与数值模拟研究,并与相同主翼后掠角的单三角翼进行了对比.实验研究在低速回流式水槽中开展,所采用的实验模型为边条后掠角为75°,主翼后掠角为50°的双三角翼全模,俯仰运动的旋转轴位于主翼弦长的2/3处,振幅为0~60°,运动的缩减频率k=0.03,0.06,0.12,0.24,0.48.实验Reynolds数以主翼弦长为参考Re=1.69×104.在水槽的测力实验中,发现非定常流动力的迟滞现象,并且随着非定常运动缩减频率的增大,流动的迟滞效应也随之增大.与相同主翼后掠角的单三角翼相比,双三角翼的迟滞环在低缩减频率下更小,但随着缩减频率的增大,这种差距逐渐减小.在数值模拟研究中,采用DDES湍流模型对俯仰双三角翼的流场进行了数值模拟.流场结果表明,在较低的缩减频率下,主翼吸力面的前缘涡是影响气动力的主要因素,非定常流动力的迟滞效应主要与前缘涡在上仰过程中的延迟破裂和下俯过程中的延迟恢复有关;在较高的缩减频率下,机翼前缘涡对气动力的影响减小,由机翼俯仰角速度而产生的环量力成为了气动力的主导因素,因此在较高缩减频率下,单三角翼与双三角翼的升力特性趋于一致.      

Aeroacoustic performance evaluation of axial flow fans based on the unsteady pressure field on the blade surface

Because of the European and global regulation concerning acoustic emission, the goal of manufacturers is to substantially decrease the noise radiated by turbomachines, and in particular axial fans, without degrading their aerodynamic performances. High rotation speed and increasing power add to the overall difficulties. The theoretical study of this paper consists of two parts: (1) an aerodynamic approach based on the vortex surface method and (2) an aeroacoustic approach which mainly concerns the prediction of the tonal noise using the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equation. One of the main goals is the evaluation of the unsteady aerodynamic forces applied on the fan blades. A 2D software analysis, based on the vortex surface method (or potential flow method), was carried out. That process enabled evaluation of the potential flow around a mobile grid; first in a steady mode, and secondly in an unsteady mode by introducing an upstream disturbance in the form of an inlet velocity variation. The sources of noise corresponding to the zones with high force fluctuation amplitude are located initially on the blade surface. These fluctuating forces are used to predict the tonal noise radiated by the fan in far field by means of the FW-H equation. Two axial flow fans were used in this study. The theoretical results will be compared to the experimental ones in order to evaluate the aeroacoustic performances of the fans.     

非定常尾迹控制叶栅分离研究

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_shear和尾缘脱落涡频率f_shed,研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动等激励特征控制流动分离的效果。结果显示:特定外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,f_shed能同时影响分离区域和尾涡区域,f_shear只能作用于分离区域;尾迹从吸力面向压力面移动时,分离结构表现出对来流周期性更明显的响应;进口随机脉动对破坏K-H展向涡结构非常有效。     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

考虑风剪切的漂浮式风力机气动特性研究

波浪与风载的共同作用下,海上风电机组平台存在多自由度运动,同时伴随着海上复杂的风况,其气动特性变化较为复杂。以NREL5MW风电机组为研究对象,在风剪切来流下,依据波浪和风载的作用规律,研究平台纵摇和纵荡运动对机组气动特性和绕流场细节的影响。结果表明:平台运动会造成风电机组气动性能的周期性波动,而风剪切作用使得风电机组平均发电量降低并加剧功率和推力的波动。风剪切会增大纵摇运动过程中展向截面的法向载荷幅值且波动加剧,但会降低与功率输出有关的切向受力;风剪切作用推迟了纵荡运动过程中展向截面法向和切向载荷峰值出现时刻,加剧载荷的波动。外叶展截面的法向和切向力系数曲线出现平台,加剧了叶片疲劳载荷,减小了功率输出。     

低速轴流压气机中工况变化对动叶顶部泄漏流波动频率的影响

本文利用数值方法研究了某两级低速轴流压气机第二级动叶在存在前后静叶扰动时,工况变化对其顶部非定常泄漏流波动频率的影响。结果显示其波动主要集中在泄漏涡轨迹附近,并且随着流量减小而增强。在大流量工况,其波动频率为转子通道频率。在中等流量工况,其波动频率为0.59倍通道频率。在小流量工况,其波动频率为0.51倍通道频率。并且其波动频率与前后静叶扰动强度无关。     

叶轮机械叶片流体激振安全性的全功能分析

本文提出了对叶轮机械叶片流体激振安全性实行全功能数值分析的新概念和方法。实现气动力学和弹性力学的弱耦合计算,由弹性力学方法确定三维振型,用振荡流体力学方法确定三维条件下的三维振荡流场,确定在各种振幅条件下的非定常气动力作功与阻尼功,引入气动功等于阻尼功条件下的平衡振幅概念。根据平衡振幅确定叶片流体激振的动应力,并进行寿命评估。这种全功能分析将使叶轮机械流体激振的安全性分析更加符合工程实际的需要,也能够解释大量的流体激振破坏不属于瞬时突然破坏,而是一种疲劳破坏。     

Experimental and numerical investigation of the unsteady flow field and tone generation in an isolated centrifugal fan impeller

In spite of a low circumferential Mach number the sound of isolated centrifugal fan impellers is sometimes dominated by distinctive tones at blade passing frequency (BPF) and integer multiples. This paper reports on an experimental and numerical investigation intended to unveil the tone generating mechanism. The sound spectra from three impellers operating at a large range of speed were measured and decomposed into Strouhal and Helmholtz number dependent functions. This led to the preliminary conclusion that the BPF related tones are exclusively flow-induced. Based on hot-wire and blade pressure fluctuation measurements and a subsequent correlation analysis, coherent flow structures different from those associated with the principal azimuthal flow pattern due to the blades were detected. Eventually a numerical three-dimensional unsteady flow simulation revealed an inlet vortex. It takes on a helical form, with the vortex core slowly varying its position with respect to the impeller center. As the blades cut through that quasi-stationary helical vortex they encounter blade force fluctuations, producing the BPF tones. Slow spin of the vortex core and slow variation of vortex strength were identified as the reasons for amplitude modulation of the BPF tone.     

Aerodynamic characteristics of passenger and transport aircraft models at harmonic oscillations on the pitch angle for high angles of attack

A systematic analysis has been performed for many-years experimental data obtained in the wind tunnel T-203 (SibNIA) for testing the models of passenger and transport aircraft for the case of harmonic oscillation at the pitch angle for low subsonic velocities. The key features of behavior of aerodynamic derivatives coefficients and dependencies of current values of normal force coefficient and longitudinal moment coefficient on the angle of attack have been demonstrated for the stalling modes of streamlining. It was demonstrated that at near-critical angles of attack, we have a strong dependency of aerodynamic derivatives of pitch moment on the normalized oscillation frequency for the range of natural values; this makes the traditional mathematical model of aerodynamic loads (uses the aerodynamic derivatives at fixed frequencies of oscillation) unfit for the considered scope of experimental tasks.     

叶顶端翼提升主动襟翼叶型气动性能的数值研究

本文在振荡来流条件下,数值模拟叶顶端翼对加装主动Gurney襟翼的垂直轴风力机叶片非定常气动特性的影响。采用NACA0015翼型的直叶片,并在尾缘前6%弦长位置安装主动襟翼。在最大出力工况(折合频率为0.1)下,对比原型叶片,加装主动襟翼叶片的切向力系数提高了4.47%,安装有叶顶端翼的主动襟翼叶片的切向力系数提高21.18%。通过比较叶片端部涡结构分布,发现叶顶端翼不仅阻止了叶片压力面及吸力面的叶梢涡分支在尾缘处汇合,同时也隔断了主动襟翼产生的角涡与叶梢涡的融合,有效的降低了叶片端部损失,提升了风力机的整体性能。