叶轮机械非定常流动研究进展

本文就叶片排进出口流场畸变型动力响应、压缩系统气动稳定性、叶轮机械非定常气动问题的数值模拟以及失速颤振轴流压气机系列转子实验等４个方面问题,从非定常气动力学角度作一概述和展望      

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.      

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点,通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体激励控制的方法,提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构.采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值...     

离心叶轮机械内部流动的研究进展

随着测量技术及数值算法的不断进步,叶轮机械内部流动研究有了很多新的进展.本文就半个世纪以来离心叶轮机械内部流动的实验及数值模拟研究进行了评述,根据作者掌握的文献,着重在以下几方面展开综述:叶轮内部流动、叶顶间隙泄漏流动、扩压器内部流动及叶轮与扩压器相互作用的非稳态流动等等.文中分别阐述了国内外学者在上述流动研究方面的主要成果,指出了这些研究的特点及其不足,分析了我国在这些领域与国际水平的差距,并结合作者自己的研究工作对离心叶轮机械内流研究提出了建议.      

涡轮冷却叶片气动与传热设计优化

提出了航空发动机涡轮冷却叶片叶栅气动与传热自动优化方法,利用函数解析成型方法实现了冷却叶片几何模型的参数化与自动生成,可以建立任意冷却内腔数量的叶片模型;基于N-S方程实现叶片流体域与固体域的流-热耦合分析;采用KS函数方法将多目标优化问题转化为单目标函数进行优化,以总压损失、叶片最高温度和平均温度最小为优化目标进行了自动优化,改善了叶片性能。     

基于雨燕翅膀的仿生三角翼气动特性计算研究

针对低雷诺数微型飞行器的气动布局,设计出类似雨燕翅膀的一组具有不同前缘钝度的中等后掠(Λ=50?)仿生三角翼.为了定量对比研究三角翼后缘收缩产生的气动效应,设计了一组具有同等后掠的普通三角翼.为了深入研究仿生三角翼布局的前缘涡演化特性以及总体气动特性,采用数值模拟方法详细地探索了低雷诺数(Re=1.58×104)流动条...     

叶片转动对涡轮间隙内部流动影响的数值研究

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要冈素之一.对LISA 1.5级轴流涡轮间隙内部流动的数值计算结果表明:叶片转动对涡轮间隙流动有阻塞作用.叶片静止时,由于阻塞作用消失,导致间隙入口速度增大,间隙流鼍增加,并且通过间隙的流体全部卷起形成间隙涡.同时在叶片顶部吸力面侧前缘、中部各形成一个间隙涡,使得间隙流动损失增加.而且转速下降会加剧动叶出口截面气流过偏/偏转不足现象.同时叶片静止时,间隙前部各个弦长截面内静压自间隙入口开始一直呈增加趋势,直到叶片尾缘附近截面,间隙截面内静压才逐渐稳定.     

无人机螺旋桨气动力设计

结合某太阳能无人机总体设计方案要求,完成了无人机动力系统螺旋桨气动力设计任务。采用Glauert提出的片条理论作为螺旋桨气动特性的计算方法,并通过算例验证了该方法的可靠性。为使螺旋桨在电机输出功率约束下、在整个飞行包线范围内维持较高的气动效率,低雷诺数、高升阻比桨叶基本翼型的设计和桨叶角分布的优化设计是关键。对设计结果进行的全面系统的分析评估表明:在不同飞行状态下以及电机额定输入功率范围内,螺旋桨效率始终维持在80%左右,且巡航状态下其效率的最佳点与电机的额定功率完全匹配。     

抗阵风载荷的小型无人飞行器设计及相关风洞舵效比较

本文目的在于探索验证微小型飞行器的气动布局与抗突风载荷能力的关系,结合风洞试验验证了结果并进行了数据分析。在低雷诺数条件下采用大边条、小展弦比非常规的气动布局设计,根据性能指标要求对飞行器的机翼面积、翼展、翼型等相关参数进行了分析设计;运用数值模拟等手段对全机简化模型进行了气动力计算,对结果进了行初步的定性分析,为初始的设计提供了验证;结合实际的靶机制作得到了实际飞机的风洞验证缩比模型,对其进行了风洞的常规测力实验。根据风洞试验结果对飞机升降舵舵面与副翼舵面偏转0°、±15°、±30°的气动性能进行了评估,为进一步的理论分析提供依据。结合实际外场飞行实验情况得出飞行器的实际气动性能,并对大量相关风洞试验数据进行了分析;探索性地给出了一条适用于微小型飞行器进行的新设计方法和设计流程,为设计适应于阵风载荷等恶劣气候条件下微小的型飞行器提供了参考新思路。     

基于MEMS的流动主动控制技术及其研究进展

MEMS技术与流动控制技术的结合, 使得流动主动控制技术的实际应用逐步成为现实, 极大地推动了流动主动控制技术的发展. 简述了流动主动控制技术的基本原理、关键技术, 以及应用MEMS技术实现流动主动控制的机理和途径. 介绍了几家国外研究机构近年来在流动主动控制技术领域基于MEMS技术的微传感、微控制和微执行技术及其集成技术的研究进展, 以及在三角翼前沿涡控制、减阻研究、发动机喷流控制、细长体背风面分离流控制等方面的应用情况.      

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.      

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

近空间高速飞行器气动特性研究与布局设计优化

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题.介绍了黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应对高空高速飞行器气动特性影响,回顾了飞行器气动布局设计优化的发展过程,给出典型高速高升阻比飞行器气动布局设计及优化的结果.      

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

BOUNDARY TREATMENT AND AN EFFICIENT PRESSURE ALGORITHM FOR INTERNAL TURBULENT FLOWS USING THE PDF METHOD

The generalized Langevin model, which is used to model the motion of stochastic particles in the velocity–composition joint probability density function (PDF) method for reacting turbulent flows, has been extended to incorporate solid wall effects. Anisotropy of Reynolds stresses in the near-wall region has been addressed. Numerical experiments have been performed to demonstrate that the forces in the near-wall region of a turbulent flow cause the stochastic particles approachi ng a solid wall to reverse their direction of motion normal to the wall and thereby, leave the near-wall layer. This new boundary treatment has subsequently been implemented in a full-scale problem to prove its validity. The test problem considered here is that of an isothermal, non-reacting turbulent flow in a two-dimensional channel with plug inflow and a fixed back-pressure. An efficient pressure correction method, developed in the spirit of the PISO algorithm, has been implemented. The pressure correction strategy is easy to implement and is completely consistent with the time- marching scheme used for the solution of the Lagrangian momentum equations. The results show remarkable agreement with both k–ϵ and algebraic Reynolds stress model calculations for the primary velocity. The secondary flow velocity and the turbulent moments are in better agreement with the algebraic Reynolds stress model predictions than the k– ϵ predictions. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究

在等离子体加工过程中产生的尘埃微粒是影响半导体集成电路生产质量的关键问题,近年来吸引了不少科学家的注意力．尘埃等离子体已成为等离子体物理中一个重要的前沿分支．本文综述低气压等离子体加工过程中关于尘埃微粒的形成及生长过程、带电机制、作用力、输运特性及尘埃等离子体的强耦合性质等方面的研究进展,并介绍其主要测量手段,观测结果及理论模型      

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长.FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.      

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介绍了燃气作动筒气动模拟加载装置设计思路和原理,并阐述了利用斜面上升法进 行模拟加载装置设计的计算方法. 实践应用表明气动模拟加载装置方案基本能够真实、等效 的模拟弹翼气动载荷,利用该装置大大地缩短研制周期、节省研制经费,可以进行推广应用.     

基于响应面法的新型排翼式飞艇的气动优化设计

采用均匀试验设计的方法, 以后掠排翼式飞艇为初始气动外形, 后翼的轴、法向坐标为设计变量, 升力、阻力系数和升阻比为目标函数, 通过CFD结合响应面近似理论, 建立了气动参数的二阶响应面优化模型, 并针对排翼式飞艇的升阻特性进行了优化设计. 研究结果表明: 响应面方法是解决气动优化问题的一种行之有效的方法;优化后排翼式飞艇的气动性能得到明显改善, NACA0020, NACA0030, NACA0040排翼式飞艇的升阻比分别提高了9.61%, 6.08%, 13.08%; 飞翼的轴向和法向位置对各气动参数的影响不尽相同, 升力系数C_rm l和升阻比k对轴向位置更为敏感, 而轴向和法向位置对阻力系数C_d的影响则基本相当.