流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层数值研究

对流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层进行了数值分析．研究了气体模型、化学反应速率常数和壁画催化对边界层特性的影响．研究表明，气体模型对烧蚀产物组元浓度大小的排序有很大影响，但不同气体模型造成的电子数密度差最大仅一个数量级；不同的氟碳反应速率常数，虽在非催化壁条件下，对组元浓度剖面有强烈影响，但对电子数密度剖面，不管壁面催化特性如何，几乎都没有影响；表面烧蚀可能引起边界层分离．     

化学非平衡边界层壁面边界条件研究

通过理论分析导出了化学非平衡边界层，化学反应壁面边界条件的一般性提法，并对其具体应用进行了研究．在壁面完全催化时，可利用传递系数法使烧蚀壁面条件计算与边界层计算解耦，给出了一般计算方法．     

泰氟龙烧蚀对黏性激波层电子密度的影响

采用黏性激波层基本方程组对有无泰氟龙烧蚀两种情况下的钝锥体化学非平衡绕流作了数值求解,以研究泰氟龙烧蚀对流场电子密度的影响规律.算例结果表明:泰氟龙烧蚀确有降低流场电子密度的效应.平衡催化壁工况下这种效应的强度,显著大于非催化壁工况下的强度;远下游截面处的这种效应的强度,显著大于驻点区的强度.此外,通过计算结果分析,对形成上述影响规律的原因作了初步讨论.     

热化学非平衡辐射流场数值研究

从耦合辐射的轴对称热化学非平衡N-方程出发,采用双温度、11组元反应气体模型,耦合“线-线”精细辐射模型,利用隐式NND有限差分格式和时间预处理技术数值求解了FIREII飞船热化学非平衡辐射流场,得到了有关辐射和辐射光谱计算结果,并与有关文献的实验结果和计算结果进行了比较。     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

绕Apollo飞船的高超声速化学非平衡流动的数值模拟

利用混合通量分裂方法，建立了很方便求解的隐式ＮＮＤ格式，求解了完全气体和化学非平衡空气绕Ａｐｏｌｌｏ飞船的流动，计算结果和实验值作了比较，应用拓扑分析方法，研究了背风区和尾迹内的流动结构。     

高超声速三维化学非平衡流动N－S方程数值解

详细地叙述了模拟三维高超声速电离空气化学非平衡粘性流全流场（前体和底部近尾迹）的数值方法，化学反应粘性流求解是基于带有化学源项的Ｎ－Ｓ方程的守恒形式，总的连续方程由组元守恒方程组所代替．对于高温电离空气流动，存在如下７个主要组元，它们依次为Ｎ＿２，Ｏ＿２，ＮＯ，ＮＯ￣＋，Ｎ，Ｏ和ｅ￣－．研究发展了求解完全耦合的，与时间相关的偏微分方程组的数值方法．利用一类新的迎风ＴＶＤ激波捕捉有限差分格式求解守恒形式的控制方程组，对高超声速层流有攻角钝锥体绕流流场，在非催化壁条件下、对包括底部近尾迹在内的全流场各参数，如组元浓度，电子密度和温度，以及物面压力分布和热流率分布得出了计算结果．对化学反应气体和完全气体模型的计算结果进行了比较，计算的流场电子密度与飞行实验结果符合很好．     

对流边界层湍流特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了存在逆温层的情况下大气对流边界层的湍流特性。实际大气边界层中出现逆温层是较常见的，逆温层会导致大气边界层湍流结构的变化，从而影响大气的湍流扩散和输运特性。本文比较了不同逆温梯度的工况，着重分析了逆温层对边界层中热量逆梯度输运（counter gradient heat transportation，CGHT）的影响。计算结果表明：逆温梯度越大，对流边界层的发展越受到抑制；逆温层高度降低会影响整个对流边界层的温度抬升；逆温梯度越大，垂直速度方差越小；在逆温梯度较大的情况下，其逆梯度输运区域要略微低一些，初步分析认为是由于逆温层对热对流的抑制造成的；对于逆温层高度不同的情况，高度越低的逆温层对逆梯度输运的抑制作用更明显。     

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用．并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．     

喷管内水蒸气非平衡凝结流动数值模拟研究

基于水蒸气非平衡凝结动力学模型和水蒸气真实热力学性质模型,建立了水蒸气跨声速非平衡凝结流动数值模型,对喷管内水蒸气非平衡凝结流动进行了数值模拟,模型成功地捕捉到了凝结激波,并且模拟结果与实验数据吻合较好,证明了所建立数值模型的准确性和可靠性。在此基础上研究了水蒸气在跨声速流动过程中发生的非平衡凝结现象以及对流场产生的影响,发现水蒸气凝结现象对流场的影响非常显著;并对凝结激波的产生过程和原因进行了详细分析。     

海岸城市上空热力内边界层的基本特征

海岸热力内边界层内大气在热力驱动下产生垂向对流运动,对海岸带的大气运动规律产生深刻的影响.在海岸城市地区,受城市冠层复杂结构的影响,热力内边界层呈现诸多独特的性质.采用大涡模拟的方法,研究了海岸城市热力内边界层内的流动特征.将海岸城市建筑物拟形为一系列有序排列的立方体块,并基于浸入边界方法考虑其对大气流动的影响.和常见的区域尺度数值研究中将城市下垫面假设为均质属性平面的方法相比,模拟结果的精度明显提高,海岸热力内边界层内各种尺度的动力过程也能在一定程度上得以描述.模拟计算了海岸城市热力内边界层、中性海岸城市边界层和开阔的自然海岸热力内边界层共3种情况,对比研究了城市摩阻和海岸热力作用对海岸城市上空大气运动的影响.研究结果表明:在空间上,边界层中各紊流特征量均在街谷尺度呈现出有规律而非均匀分布的特点;在强度上,热力作用与城市构筑物的摩阻作用相互促进,使得紊流强度显著提升并大于两种作用线性叠加的结果.此外,还发现有城市冠层海岸的热力内边界层发展远快于相同热力条件下的自然海岸带,边界层的发展规律也有显著的不同.      

FLOW STRUCTURE IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER DIRECTIONAL RIBLETS SURFACES

本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,对零压力梯度光滑以及汇聚和发散沟槽表面平板湍流边界层统计特性和流动结构进行了研究.结果表明在垂直于汇聚和发散沟槽表面的对称平面内,相对于光滑壁面,发散沟槽壁面使当地边界层厚度、壁面摩擦阻力、湍流脉动、雷诺应力等明显减小;而汇聚沟槽壁面对湍流边界层特性和流动结构的影响正好相反,汇聚沟槽使壁面流体有远离壁面向上运动的趋势,因而导致边界层厚度增加了约43%;同时,在汇聚沟槽表面情况下流向大尺度相干结构更容易形成,这对减阻是不利的.此外,顺向涡数量在湍流边界层的对数区均存在一个极大值,发散沟槽表面所对应的极大值位置更靠近沟槽壁面,而在汇聚沟槽表面则有远离壁面的趋势,由顺向涡诱导产生的较强的喷射和扫掠运动会在湍流边界层中产生较强的剪切作用,顺向涡数量的减少是发散沟槽壁面当地摩擦阻力降低的主要原因.     

纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示

纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+ 在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+ 约为17 个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹” 不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构. 实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹” 展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.      

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

对流边界层大涡自组织过程的数值研究

利用简化的边界层日变化干对流模式,结合非线性热力学观点,数值模拟并分析了日间对流边界层中大涡形成、发展及衰亡的动力和热力学特征.结果表明,对流边界层中大涡始终处于不稳定状态,大涡的自组织合并和破碎串级输送过程同时并存,前者与边界层系统的局部减熵相对应,后者与对流边界层的总体增熵效应对应;大涡的演变是对流边界层总体增熵这一稳定因素和局部减熵这一不稳定因素相互竞争的结果.     

数值研究平板方舵激波-湍流边界层干扰

数值研究了平板方舵激波-湍流边界层干扰流场。模拟出了分离激波与弓型激波砬撞后形成的“λ”激波结构;消晰地显示了分离区中的旋涡结构,发现流场中会出现二次分离涡,并从理论上分析了流场对称面涡心形态与非定常的关系,得到了涡心为不稳定螺旋点或出现极限环是非定常流动特征的新结论。     

湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动。利用X型热膜探针在扰动下游进行测量。用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式，结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差。这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素。     

STABILITY AND ACCURACY OF NUMERICAL BOUNDARY CONDITIONS IN AEROELASTIC ANALYSIS

This paper analyses the accuracy and numerical stability of coupling procedures in aeroelastic modelling. A two-dimensional model problem assuming unsteady inviscid flow past an oscillating wall leads to an even simpler one-dimensional model problem. Analysis of different numerical algorithms shows that in general the coupling procedures are numerically stable, but care is required to achieve accuracy when using very few time steps per period of natural oscillation of the structure. The relevance of the analysis to fully three-dimensional applications is discussed. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

EXPERIMENTAL STUDY ON PROPERTIES OF TURBULENT/NON-TURBULENT INTERFACE OVER RIBLETS SURFACES AT LOW REYNOLDS NUMBERS1)

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.