基于回转体型艇身的电磁流体表面推进与矢量控制特性研究

电磁流体表面推进是在推进体周围的导电流体中(海水、等离子体等)激励出电磁体积力,并利用电磁体积力的反作用力达到推进的目的.本文基于电磁场和流体力学的基本控制方程,通过电磁场有限元方法探讨了电磁流体表面推进在回转体型艇身上的矢量控制效果,并分析了在两种不同的电磁力作用区域下航行器周围的场强的分布特征以及受力情况.结果表明:这种控制方式可以在不改变航行器攻角和推力方向的情况下通过调控电磁力的作用范围来实现航行器姿态调整,进而达到矢量推进与控制的目的;在航行器表面施加控制方式A的电磁力可以使航行器获得一个抬头力矩,而在控制方式B作用下航行器可以同时对俯仰力矩和偏航力矩进行调整.因此作为一种新兴的推进方式,电磁流体推进不仅具有高速高效、操作简单、高有效载荷等特点,而且矢量推进也成为电磁流体表面推进另外一个优势.     

电磁力滤波与快速反射镜光学补偿在潜航器光轴稳定控制中的应用

搭载在潜航器上的光电桅杆是光电跟瞄的重要装置.当潜航器在水下高速行进时,海水会在物体表面形成脱体边界层和涡街,涡街的生成和脱体会引起阻力和升力的大幅度波动,从而对光轴稳定性产生极大的扰动.本文首先基于电磁场和流体力学的基本控制方程,通过层次结构网格下的有限体积法探讨了电磁流体表面控制对潜航器绕流流场的影响和消涡减振效果;其次,分析并获得了快速反射镜(fast steering mirror,FSM)的结构特性、传递函数和PID控制策略;最后,以潜航器光路模型为研究背景,结合电磁流体的滤波特性和FSM的传递函数,论证了复合控制对潜载光电跟瞄系统稳定性提高的效果.结果表明,壁面流向电磁力能很好地调控潜航器绕流边界层,抑制涡激振动、减少光学系统的输入噪声,在此基础上通过FSM实现二次补偿,可以进一步提高光学系统跟踪的精度.本研究是电磁流体控制在光电领域的探索,也是对传统流体力学实验方法的拓展,因此具有一定的科学意义和实用价值.     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

蒸汽爆炸粗混合过程中的蒸发阻力模型

在蒸汽爆炸的粗混合过程中,由于液体的快速蒸发,高温金属液滴的周围会产生一层很薄的蒸汽膜,此时液滴周围的边界层流动与没有液体蒸发时有很大的不同,因此,常温情况下的小球在连续液体中运动时的通用阻力模型在这种情况下是不适用的．本文通过受力分析,考虑了高温小球受力的分布和表面蒸发对小球周围力的影响,从阻力的基本机理上分析了蒸发状态下小球的运动阻力,分别提出了高温颗粒穿过自由表面时与其在液体中运动时的蒸发阻力模型．分析表明,当小球温度高于2500 K,特别是在靠近自由表面的区域,由于小球表面液体蒸发而产生的蒸发阻力作用非常明显．分析指出,小球的入水初速、小球表面的液体蒸发速率以及汽膜厚度都是影响小球运动阻力大小的重要因素．     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

CC型原表面回热器传热与流动数值模拟

对CC型原表面回热器的主换热面附近流场和温度场进行了三维数值模拟。结果表明,传热的强化程度与流动阻力的大小取决于螺旋型二次流动的强弱,影响机理是螺旋型二次流动强烈影响流体的混合和边界层的发展。针对低雷诺数范围流动,通过比较不同结构尺度和换热面布置时传热和流动特性,对换热表面进行了设计优选。     

基于晶格-Boltzmann方法的纳米流体流动和传热模型

纳米流体是由流体与纳米粒子组成的悬浮体.悬浮在流体中的纳米粒子会受到运动阻力、布朗力、扩散力和重力等作用力的影响,因而其运动规律极其复杂.本文运用晶格-Boltzmann(LB)方法,建立纳米流体流动和传热模型模型,对纳米流体的流型结构和温度场进行了模拟和分析.     

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.     

微燃机回热器设计参数对其性能影响分析

本文对不同结构微型燃气轮机回热器的回热效率及阻力等性能进行了比较分析。研究表明:随回热效率的提高, 板式及板翅式回热器总体积上升,阻力升高。另外,板式换热器在满足阻力条件下,可以通过改变板间距取到最小体积。在同等回热效率要求下,板翅式回热器体积远小于板式,其紧凑度更高,而阻力上升也不明显。     

黏弹性流体基铜纳米流体流动与传热实验研究

成功建立了流体流动阻力和换热性能测试实验台,在45℃的流体温度下,对不同铜粒子体积分数和基液浓度的纳米流体在湍流状态下的对流换热特性和流动阻力进行了实验测量。实验结果表明:黏弹性流体基液中添加纳米粒子后,在降低对应基液减阻率的同时能明显增强传热性能.例如,将1.0%体积分数的铜纳米粒子添加到质量分数为6×10~(-4)的基液中所形成的黏弹性流体基纳米流体其综合性能指数K=0.47,表现了很好的传热强化和减阻性能.     

靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

等离子体激励翼型分离流动控制数值模拟

文章利用CFD软件FLUENT中的自定义函数接口, 将等离子体对中性气体的激励作用模型化为体积力引入Navier-Stokes方程, 研究了等离子体气动激励诱导的平板射流, 以及介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励对NACA0015翼型大迎角分离流的控制作用.计算分析表明, 多对电极等离子体激励器可以有效控制NACA0015翼型大迎角分离流动.      

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基于介质阻挡放电等离子体体积力气动激励机理,数值研究了两种等离子体流动控制方案对螺旋桨桨径根部处于负攻角工况下叶素气动性能的改善效果.结果显示,激励器布置在下翼面时等离子体体积力大于其布置在叶素前后缘时的情况;激励器布置在下翼面时,可抑制流动分离,使得螺旋桨桨根部位叶素产生更大的负拉力,但会减小螺旋桨的扭矩;激励器布置在前后缘时,会使螺旋桨根部叶素拉力增大,提高螺旋桨总拉力,但不能抑制流动分离,所以会增大螺旋桨的扭矩.     

Numerical investigation on properties of attack angle for an opposing jet thermal protection system

The three-dimensional Navier-Stokes equation and the k-ε viscous model are used to simulate the attack angle characteristics of a hemisphere nose-tip with an opposing jet thermal protection system in supersonic flow conditions.The numerical method is validated by the relevant experiment.The flow field parameters,aerodynamic forces,and surface heat flux distributions for attack angles of 0°,2°,5°,7°,and 10° are obtained.The detailed numerical results show that the cruise attack angle has a great influence on the flow field parameters,aerodynamic force,and surface heat flux distribution of the supersonic vehicle nose-tip with an opposing jet thermal protection system.When the attack angle reaches 10°,the heat flux on the windward generatrix is close to the maximal heat flux on the wall surface of the nose-tip without thermal protection system,thus the thermal protection has failed.     

钝锥再入飞行器黏性干扰效应建模

针对典型的钝锥外形, 采用统一气体动理学格式(UGKS)模拟了高度70~110 km下不同Mach数和攻角的流场, 进行了流场特性的分析, 并基于黏性干扰的理论成果, 将气动力特性与第3黏性干扰参数、攻角和Mach数等参数进行关联, 建立了气动力系数的黏性干扰模型, 给出了模型预测结果的相关性分析和准确性评估。经初步测试, 该模型预测结果与UGKS直接模拟结果具有良好的一致性, 对工程应用快速获取高空气动特性具有重要意义。      

Numerical investigation on properties of attack angle for opposing jet thermal protection system

The three-dimensional Navier-Stokes equation and the k-ε viscous model are used to simulate the attack angle characteristics of a hemisphere nose-tip with an opposing jet thermal protection system in supersonic flow condition. The numerical method is validated by the relevant experiment. The flow field parameters, aerodynamic forces, and surface heat flux distributions for attack angles of 0°, 2°, 5°, 7°, and 10° are obtained. The detailed numerical results show that the cruise attack angle has a great influence on the flow field parameters, aerodynamic force, and surface heat flux distribution of the supersonic vehicle nose-tip with opposing jet thermal protection system. When the attack angle reaches 10°, the heat flux on the windward generatrix is close to the maximal heat flux on the wall surface of the nose-tip without thermal protection system, thus the thermal protection is failure.     

2D-PIV analysis of loach motion and flow field

The propulsion methods of the aquatic lives are the results of optimization by evolution and are useful for the design of swimming-robot, etc. Among them, loach has unique propulsion technique both bending its long body and shaking caudal fin. Our purpose of the research is to clarify its swimming mechanism through flow field analysis. Two dimensional motion and flow around it have been experimentally visualized by particle image velocimetry (PIV). Vortices around a loach and the interactions between the loach body and surrounding water are analyzed. Generating and growing vortices by bending its body, it pushes water backward to gain repulsing force, and it seems that moves through vortices reducing the resistance force at the same time. When a vortex reaches to the caudal fin, it accelerates both sides of the vortex pushing water backward and seems gaining propulsion utilizing the caudal fin. After moving forward, loach leaves a vortex street like reverse Karman vortices, which means that loach gains propulsion.     

Optimization of supersonic flows past thin bodies by using external effects on the flow

Problems of optimization of flows past a thin body of revolution and a slender profile at a small angle of attack in the presence of local energy release zones and an external force acting on the flow near the surface are considered. Analysis is based on an analytic theory of supersonic flow past thin bodies presented in previous papers. The following problems are considered: drag reduction of a thin body of revolution, lift force enhancement of a profile with infinite aspect ratio, attenuation of acoustic noise generated by supersonic flows past bodies.     

翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力),可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法,对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明,对于一定攻角的翼型,电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时,可以抑制分离,消除涡街,其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时,可在流场中形成大涡组成的涡街,增强流体的混合能力,其效果与增大攻角类似. 关键词： 电磁力 翼型绕流 流体控制     

一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.