入口速度比对射流拟序结构的影响

为了深入了解湍流流动机理以及湍流拟序结构发现过程的影响因素，本文采用大涡模拟方法对不同入口射流伴流速度比的平面湍射流流动进行了数值模拟。采用分步投影法求解动量方程，亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟，压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解，空间方程采用二阶精度的差分格式，在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了平面射流中湍流拟序结构的瞬态发展演变过程，分析了入口速度比对射流拟序结构发展演化过程及宏观流场形态的影响。为进一步研究射流拟序结构及其在湍流流动中的作用提供了基础。     

具有壁面射流激励的圆管内气相流动大涡模拟

采用大涡模拟方法和单方程亚格子模式对小尺度量进行模拟。研究了不同强度壁面射流激励对圆管内气相流动的影响,模拟结果给出了射流对瞬态拟序结构发展、时平均流向速度分布的影响。随着射流强度的增加,射流入口附近流体的回流现象增强。射流强度足够大时可以减小管壁处的切应力值,同时会减小壁面附近流动速度,这种速度分布会导致气体夹带颗粒的能力下降,从而在实际两相流动中容易造成壁面附近的气粒返混现象。     

轮对系统的Hopf分岔研究

针对轮对系统中的非线性动力学问题, 本文基于Hopf分岔代数判据得到考虑陀螺效应的轮对系统Hopf分岔点解析表达式, 即轮对系统蛇形失稳的线性临界速度解析表达式. 基于分岔理论得到轮对系统的第一、第二Lyapunov系数表达式, 并结合打靶法分别得到不同纵向刚度下, 考虑陀螺效应与不考虑陀螺效应的轮对系统分岔图. 通过对比有无陀螺效应的轮对系统分岔图发现, 在同一纵向刚度下, 考虑陀螺效应的轮对系统线性临界速度和非线性临界速度均大于不考虑陀螺效应的轮对系统, 即陀螺效应可以提高轮对系统的运动稳定性. 基于Bautin分岔理论, 以纵向刚度和纵向速度作为参数, 分别得到考虑陀螺效应和不考虑陀螺效应的轮对系统, 从亚临界Hopf分岔到超临界Hopf分岔, 再从超临界Hopf分岔到亚临界Hopf分岔的迁移机理拓扑图. 通过对比有、无陀螺效应的轮对系统Bautin分岔拓扑图发现, 陀螺效应将改变轮对系统的退化Hopf分岔点, 但对于轮对系统Bautin分岔拓扑图的影响不大.      

浅水舰船引起水底附近的扰动速度研究

基于浅水波浪理论,建立了亚临界和超临界航速条件下舰船运动引起水底附近扰动速度的理论计算模型。通过数值计算,揭示了扰动速度分量的变化规律和分布特点。建立了舰船扰动速度的测试系统,对船模运动引起的扰动速度进行了测量。横向扰动速度分量计算结果与实验结果基本吻合,纵向扰动速度分量计算结果与实验结果定性一致。理论与实验研究表明,...     

圆湍射流拟序结构研究进展

圆湍射流拟序结构的实验研究,经历了流场显示定性观测、热线、激光单点测量、数字图像等方法全流场定量测量以及当前三维演变机制的探讨。与此同时,静态激励和主动技术的拟序结构控制研究也获得了大量的成果。应用涡方法、直接数值模拟和大涡模拟等对圆湍射流拟序结构进行的数值模拟,在印证试验现象的同时,还进一步深入研究了拟序结构的输运特性、激发机制等相关内容。本文对上述进展进行了综述,以期为进一步开展湍射流的研究和应用提供依据。      

轮对非线性动力学模型稳定性和分岔特性研究

为了探究轮对系统的横向失稳问题,考虑了陀螺效应和一系悬挂阻尼的影响作用,建立非线性轮轨接触关系的轮对动力学模型,研究轮对系统的蛇行稳定性、Hopf分岔特性及迁移转化机理.通过稳定性判据获得了轮对系统失稳临界速度.采用中心流形定理和规范型方法对轮对动力学模型进行化简,得到与轮对系统分岔特性相同的一维复变量方程,理论推导求得轮对系统的第一Lyapunov系数的表达式,根据其符号即可判断轮对系统的Hopf分岔类型.讨论了不同参数对轮对系统Hopf分岔临界速度的影响,探究了轮对系统的超临界、亚临界Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律.利用数值模拟得到轮对系统的3种典型Hopf分岔图,验证了轮对系统超临界、亚临界Hopf分岔域分布规律的正确性.结果表明,轮对系统的临界速度随着等效锥度的增大而减小,随着一系悬挂的纵向刚度和纵向阻尼的增大而增大,随着纵向蠕滑系数的增大呈先增大后减小.系统参数变化会引起轮对系统Hopf分岔类型发生改变,即亚临界与超临界Hopf分岔相互迁移转化.轮对系统Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律对于轮对系统参数匹配和优化设计具有一定的指导意义.     

基于聚类连通法的湍流拟序结构研究进展

湍流的无序性要求对拟序结构的研究必须从统计的角度出发, 而聚类连通法 (clustering method) 则是实现拟序结构与统计方法深度融合的有力工具. 该方法是一种基于数据的流动特征提取方法, 它将每个连通域, 即单个拟序结构作为一个统计样本. 此外, 其衍生的基于连通域空间重叠的时空追踪方法可以进一步研究这些结构的时空演化, 该方法将每个拟序结构从生成到消亡的演化过程也视为统计样本, 从而实现了对拟序结构运动学特征和动力学过程的统计刻画. 本文回顾了聚类连通法的发展历程并着重介绍了人们采用该方法在雷诺切应力结构、速度条带和能量级串方面取得的重大进展, 这些结果表明该方法极大拓展了人们基于传统的逐点统计方法对湍流的认识, 因而具有很大的潜力. 最后, 对该方法在湍流中的应用给出了建议和展望.      

亚临界雷诺数线性剪切流场中圆柱的气动升力特性研究

通过风洞模型试验和数值模拟研究亚临界雷诺数范围内线性剪切流场中圆柱的气动升力特性.剪切流强度采用由速度梯度、圆柱半径及圆柱中心前方来流的平均速度所定义的无量纲剪切参数β来表示.在风洞模型试验中使用主动控制风洞来方便地生成线性剪切流.在数值模拟中采用基于动态Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法.研究发现,在亚临...     

基于模态分解的轴对称超声速射流啸声产生位置数值分析

不完全膨胀超声速射流的势核中会产生准周期的激波栅格结构, 其与剪切层内拟序结构的相互作用会产生激波噪声. 啸声是主要向上游方向传播的、具有离散频率的高强度激波噪声, 其产生是受一种非线性的声反馈环机制驱动. 精确定位啸声的声源位置是定量理解啸声反馈环机制和发展准确的啸声预测模型的一个关键所在. 为了分析近场啸声, 本文采用高精度数值方法直接求解轴对称可压缩Navier-Stokes方程, 数值模拟了完全膨胀射流马赫数为1.10和1.15的圆形声速喷管欠膨胀超声速冷射流, 得到了A₁和A₂两种轴对称模态啸声. 通过傅里叶模态分解、本征模态分解和动态模态分解, 分析了射流时序压力场和速度场, 研究了啸声关联拟序流动结构的空间演化, 精确定位了轴对称模态啸声的声源位置. 研究表明: 啸声关联拟序流动结构存在饱和态区域, 啸声声波是在其饱和态区域产生并向外传播; 在本文所涉及的射流马赫数范围内, A₁和A₂两种轴对称模态啸声的有效声源位置分别是在第4和第3个激波栅格结构的尾缘.      

欠膨胀超声速射流不稳定性机理的数值研究

应用NND有限差分格式求解轴对称可压缩N-S方程,研究了不同驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性.计算结果表明欠膨胀超声速射流的失稳机制根据射流激波结构的特征可分为3种失稳模式:具有规则反射激波结构和单一剪切层特征的射流不稳定性;带有马赫反射激波结构和双剪切层特征的射流不稳定性;具有弯曲马赫杆和高度欠膨胀射流的不稳定性.对于欠膨胀超声速射流,沿射流方向重复出现拟周期性的射流激波结构是射流稳定发展的特征,这种射流激波结构的消失是射流开始失稳的标志.     

An experimental study on the coherent structures and chaotic phenomena in the axisymmetric countercurrent shear flow

The coherent structures and the chaotic phenomena in the transition of the axisymmetric countercurrent mixing shear flow were investigated experimentally. Two kinds of self-excited oscillation modes could exist in the axisymmetric countercurrent mixing shear flow. One is the shear layer self-excited oscillation mode corresponding to the high Reynolds number regime and the other is the jet column self-excited oscillation mode corresponding to the low Reynolds number regime in the case of the velocity ratio ranging from 1 to 1.5. Analyzing the auto-power spectrum, self-correlation-function and three dimensional reconstructed phase trajectory, the route to chaos through three Hopf bifurcations intercepted by an intermittence of the dynamical system corresponding to the axisymmetric countercurrent mixing shear flow was discovered when the velocity ratio is equal to 1.32.     

Self-Excited Oscillations of Structures by Particle Emission

This paper studies the self-excited oscillations of structures by alphaparticle emission. Alpha particles emitting from a source exert a smallmechanical force on the structure. This force is analogous to theso-called follower force which is known to cause structure flutter andcould be used as a source of mechanical power in MEMS devices. Wedevelop a dynamic model for the structure and study the stability of thestructure. The bifurcation analysis renders information about thepossible steady-states for different values of parameters. Depending onthe parameters, the structure can have stable buckled as well asunbuckled equilibria. Moreover, the model predicts stable limit cycleswhich correspond to stable flutter of the structure. Although it isdifficult to achieve the required mechanical force using alpha particleemission, the concept of generating mechanical oscillations throughejecting streams of gaseous or liquid jets is feasible.     

来流脉动对自激振荡脉冲流的影响

基于瞬变流和流体网络理论建立了由往复柱塞泵,管路和自激振荡呀嘴组成的装置系统的数学模型,分析了泵源脉动对自激振荡脉冲射流振荡特性的影响,表明当来流脉动频率小于或等于嘴嘴装置的固有频率时,能提高射流的振荡,冲蚀效果,理论分析与实验结果吻合,其结论对合理设计自激振荡射流喷嘴有一定的指导意义。     

自振脉冲气液射流振动分析

从提高射流利用率出发, 在自振脉冲水射流喷嘴振荡腔上开孔自吸入空气, 以形成一种自振脉冲气液射流, 研 究其振荡频率以及打击力的实际影响因素.基于水声学与流体动力学原理建立自振脉冲气液射流频率模型, 并以悬臂梁为靶物, 通过考察射流冲击悬臂梁时的振动特性获得其时域及频域特征.结果表明, 自振脉冲气液射流的振荡频率随腔长增加单调递减, 随含气率变化存在极小值, 且在初始段发生骤变, 实测值与理论值相吻合;对应自振脉冲气液射流产生最大谐振峰值的最优腔长略小于自振脉冲水射流, 且前者最大谐振峰值较后者明显提高.     

格栅-空腔自激振荡流场扰动形成机理研究

格栅-空腔流动会引发流场自激振荡现象,产生结构振动及噪声问题.研究此类现象的形成机理对相关设备的减振降噪设计具有重要意义.目前已知这种现象是在流场正逆向两种扰动的耦合作用下形成的,但上述两种扰动的形成机理尚未明确.针对该问题,建立了格栅-空腔流动数值模型,并进行非稳态数值模拟.通过分析压力振荡数据及流场结构演化过程,对...     

Harmonic,subharmonic, superharmonic,simultaneous sub/super harmonic and combination resonances of self-excited two coupled second order systems to multi-frequency excitation

Harmonic, subharmonic, superharmonic, simultaneous sub/super harmonic, and combination resonances of the additive type of self-excited two coupled-second order systems to multi-frequency excitation are investigated. The theoretical results are obtained by the multiple-scales method. The steady state amplitudes for each resonance are plotted, showing the influence of the different parameters. Analysis for each figure is given. Approximate solution corresponding to each type of resonance is determined. Stability analyses are carried out for each case.     

带喷流激波针流动特性实验研究

采用动态测力、动态测压和纹影等风洞实验技术,对加装了带喷流激波针的钝头体的绕流特性、稳定和非稳模态的形成条件和机理进行了研究.结果表明:带喷流激波针流场存在稳态和非稳态两种模态,超声速喷流的压比大于临界压比时流动处于稳定模态,反之则为非稳模态;增大激波针长度可减小钝头体阻力,但达到一定长度后,进一步减阻的效果不再显著;增大喷流压比能够有效减弱再附激波强度,有利于缓解单独激波针的肩部热斑问题;非稳模态下波系自激振荡对再附激波在钝头体表面所围的区域影响剧烈,振荡是周期性的,且存在确定的主导频率,主导频率随喷流压力比增大而减小;自激振荡的产生是由于喷流出口周围的反压在喷流压比小于临界压比时无法获得持续的平衡而导致.      

自激振荡脉冲射流喷嘴装置系统频率特性理论研究

根据相似系统原理和流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流喷嘴装置的等效网络模型,利用系统传递函数推导了系统频率特性方程并进行了数值计算。结果表明:喷嘴装置的固有频率主要由喷嘴形状、结构参数、入口流速、射流中压力扰动波波速决定;自激振荡腔腔径、自激振荡腔腔长、上喷嘴直径、下喷嘴直径都对系统频率特性影响很大。提出了相应的自激振荡脉冲射流喷嘴设计准则,即喷嘴装置在最佳阻尼比下产生谐波共振。     

圆形月池流激振荡实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析方法和对比研究的实验方 法,实验研究了圆形月池在均匀流条件下的流激振荡特性. 通过实验研究发现,尽管腔内的 流体在不同来流的条件下运动趋势有所不同,但归纳起来对于月池结构,其内部存在两类振 荡源,一类是腔内流体的固有振荡,该频率与腔体结构形式、尺寸、腔内流体深度有关,与 来流无关;另一类则是流体流经腔口时产生的流体动力振荡,该频率与来流特性、速度有关. 当二者频率相近时将会激起腔内流体的共振,即会有``活塞(piston)'现象产生. 实验中,还在腔体侧壁上布置了压力传感器,用来分析腔体侧壁受到的流体压力特性及 其变化趋势.     

平面滑移铰内发生自激振动的充分条件

自激振动是含摩擦机械系统最严重也最具破坏性的运动形式. 目前, 通常以增加润滑的方式 尽可能减少自激振动. 本文以平面滑移铰为研究对象, 假设铰连接的物体为刚体, 并且认为 铰内的间隙为小量, 推导了平面滑移铰内产生不符合物理事实解的条件. 这可看作是导致系 统产生自激振动的一种诱因. 该条件适用于任何含平面滑移铰的机械系统.