应用小干扰柱体控制角区马蹄涡结构的实验研究

本文提出一种简单的抑制和控制角区马蹄涡的被动控制方法.即在角区平板上游放置一个远小于主柱体的小干扰柱体,用其产生的弱马蹄涡来抑制和控制角区的马蹄涡结构.目的是使角区原来的马蹄涡结构由强变为弱、由大变为小、由多变为少、由非定常变为定常,以获得减小冲刷、抑制湍流、降低噪声、避免振动的工程效果.作者在风洞中采用烟线法和激光片光流动显示的方法开展研究,实验表明,在平板上游适当位置放置小干扰柱体的确可以有效抑制和控制角区马蹄涡结构.实验发现,当小干扰柱体放置在原角区马蹄涡生成区时,其抑制和控制效果最佳;当小干扰柱体放置在上游区或下游区时,控制效果不好.本文讨论了小干扰柱体控制角区马蹄涡的机理.此外,实验还研究了小干扰柱体相对尺度和截面形状对角区马蹄涡结构抑制和控制的影响.     

花坛下的马蹄涡------漫淡自然界和工程中的马蹄涡

从流体力学的角度, 简要介绍了边界层流动中马蹄形分离涡旋的形成机理及其在工程中的应用和影响, 并简要介绍了马蹄涡的控制方法.     

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF（激光诱导荧光）流动显示和PIV（粒子图像速度场仪）测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、，即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

水力机械非定常流动的三维涡方法计算

利用拉格朗日型涡方法计算了混流式水轮机转轮内部的非定常流动. 采用高精度的边界元法计算域内势流速度以满足固体边界不可穿透条件, 通过在固体边界上导入新生涡满足边界的无滑移条件. 利用拉格朗日法计算涡元的运动, 而离散涡元之间的诱导速度则通过毕奥-萨伐尔公式结合快速多级子算法和自适应树结构算法获得. 通过对某混流式转轮水轮机在设计工况及非设计工况下的数值模拟, 以及模拟结果与实验测量的对比, 验证了该拉格朗日涡方法在计算转轮内部高雷诺数非定常流动中的有效性.     

明渠非定常水流的垂向结构实验研究

本文报告了明渠非定常水流垂向结构的实验研究,通过 LDV 激光测速,我们给出了非定常水流的速度削面,湍流度,Eulerian质量输运速度的垂向分布。实验结果表明:在非定常周期很长时非定常流动的速度剖面,湍流强度及其粗糙度的影响基本上与定常流动相一致,当非定常流动为纯往复流动时,存在一个逆时针方向的环流,这种环流有利于底部的质量输运。     

动失速型非定常分离涡结构的控制

本文对动失速型非定常分离涡结构的控制方法，在低速风洞中应用相平均测压技术进行了实验研究。在二元平板模型中部安装一作俯仰振荡的扰流板产生动失速型分离涡，在其上游安装另一用作控制的小扰流板。实验结果表明，应用前置的振荡小扰流板可影响并改变动失速分离涡的强度和对流特性。在最有利的控制相位下，涡吸力峰可降低４８％，涡对流时间可以推迟０．１９周期。对于间歇式振荡扰流板，采用相位提前控制方式比相位滞后控制方式更有效。     

细长旋成体亚声速超大攻角非定常流动特性研究

空空导弹作为现代空战的主要攻击手段,要求比目标飞机更高的机动性和敏捷性.新型空空导弹在面对新一代飞机时必须具备全方位攻击能力,尤其对来自后方目标的威胁,则需要更高转弯率和更大机动包络线的航向反转机动等先进高效机动方法.为了保证高效机动的顺利完成,要求导弹在超大攻角(α=0° ～180°)范围内具有飞行和机动控制能力.以...     

均匀来流中横向振动圆柱近迹涡结构的数值模拟

从涡量流函数形式的N-S方程出发,在不同的振动频率、振幅及Re数下数值研究了均匀来流中横向振动圆柱粘性统流的涡脱泻现象。着重探讨了近迹复杂的涡结构及其非定常演化过程,以及它们对物体受力特性的影响,并首次成功地模拟了近年来实验研究中所发现的一些重要的流动现象,如相位“开关”现象(phase switch phenomena)及复杂涡结构(complex vortex structure),等等。通过数值模拟,不仅能够再现实验研究中所发现的一些重要的流动现象,还可进一步预示某些新的流动现象,使数值计算起到与实验研究相辅相成的作用。     

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上，进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程，展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况，对大涡模拟得到的数值结果进行了统计，得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

PIV技术在超及高超声速流场测量中的研究进展

本文分析了超声速流场对测量技术的特殊要求, 归纳了目前将粒子影像测速仪(particle image velocimetry, PIV)技术应用于超声速流场的测量时所面临的主要技术难点以及主要的解决方法, 分析了超声速流场中所用PIV粒子的主要要求、粒子特性、投放方法等, 介绍了PIV技术在超声速、高超声速流场测量中最新的国内外进展, 特别是给出了国内外关于高超声速流场中激波/附面层的相互干扰, 以及高超声速飞行器超燃冲压发动机主要部件内流场的PIV试验研究的最新进展.      

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

带扰流小槽道内单相流动阻力特性实验

采用水作为工质, 实验研究入口或出口端加入圆柱扰流的不同高宽比多槽道散热器的压降特性; 结果表明: 单位长度压降随雷诺数成线性关系. 提出了雷诺数、水力学直径和槽道高宽比的拟合准则; 拟合公式在实验数据误差范围内很好反应类似系统的流阻特性. 对于线切割小槽道, 其摩阻系数和雷诺数成反比, 且较圆管理论值偏大; 对线切割槽道阻力特性分析发现, 表面粗糙度是其最主要的影响因素, 而扰流对其影响较小; 在槽道前部设置扰流柱可以增强换热.      

飞机大迎角非对称涡组合扰动主动控制研究

采用测压、测力以及流动显示方法研究了头部微三角扰动块对飞机大迎角非对称背涡的主控作用和背风侧单孔位微吹气对背涡空间位置及相应侧向力的控制作用,以此为基础提出了基于微三角块扰动和单孔位微吹气扰动的组合扰动主动控制新技术,并在某飞机模型上进行了验证.实验是在北京航空航天大学D4风洞中进行的.研究结果表明:该组合扰动控制技术能够实现对飞机大迎角非对称侧向力的有效主动控制.     

基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究

发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.      

翼型与风洞侧壁交接角区分离流动研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模型试验时风洞侧壁和翼型模型结合部拐角区黏型分离流动进行模拟,并将简单代数湍流模型扩展用于机翼/风洞侧壁拐角区流动.计算格式在空间上采用中心有限体积离散,在时间上采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分.结果显示,在翼型模型风洞试验时,模型/侧壁拐角区、模型表面、侧壁表面和模型后形成复杂的黏性分离流动和二次分离,对实验结果产生很大的影响.