带喷流超声速后台阶流场精细结构及其运动特性研究

采用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)对带超声速喷流的后台阶流动精细结构进行了研究. 来流马赫数为3.4, 喷流实测马赫数为2.45, 而名义马赫数为2.5. 结果清晰地揭示了激波、剪切层、混合层、Kelvin-Helmholtz涡、羊角涡及湍流大尺度结构等大量典型流场结构. 基于大量流场精细结构图像, 对典型位置处的结构进行了空间两点相关性分析, 在喷流混合层前端涡结构小于湍流充分发展的尾端, 结构角相对也小. 喷流工作时, 模型台阶下游表面由一薄层气膜覆盖. 获得了模型流向和不同高度展向平面内的流场结构, 对照纹影试验结果, 分析了流动特点及时间演化规律. 采用微型压力扫描系统测试了模型表面的压力系数分布, 靠近喷流下游处压力系数区域0.0146. 针对NPLS图像做了流动的分形维数的分析, 发现在流动初始阶段分形维数接近于1, 越靠下游分形维数越高.     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

非等温喷流中波包的运动学分析

波包被认为是喷流中一种重要的声辐射源,运动学分析旨在建立波包运动与声辐射的关联模型,但是该模型对于非等温喷流还存在表征波包尺度变化的问题。本文通过对速度、密度与压强场的模态分析来筛选适合于表征非等温喷流中波包的物理量,进一步引入了一种表征波包尺度变化的连续函数,在此基础上讨论波包尺度对声辐射的影响。结果表明喷流温度使得压强模态与密度模态的同步特征消失,且改变了压强模态与速度模态之间的耦合关系。压强模态的辐射特征显著,因此运动学分析可以针对压强场来开展。波包包络尺度L和相干衰减尺度L_c使得波包的能量分布呈椭圆形分散到辐射区,从而提高了波包的辐射强度。L仅使得椭圆端部畸变,它对辐射强度的影响比L_c弱。     

叶片出口角对离心泵流动诱导噪声的影响研究

文采用CFD与声学求解器耦合计算的方法,对一离心泵在不同叶片出口角下的内部流场及其外辐射声场进行了数值计算.通过对比不同出口角下离心泵模型的水力特性、流场内特性及压力脉动来分析叶片出口角对离心泵流场及流动诱导噪声的影响。流场计算结果表明,出口角从18°增加到39°,扬程升高6.48%而效率下降10.89%;出口角增加,导致基频处压力脉动强度降低而二阶谐频处脉动强度增加,脉动总强度增加。蜗壳外表面在二阶谐频处振速明显高于其它频率下的振速.外声场声压级的指向性曲线显示,出口角增大,声压级增大,出口角为39°时声压级比出口角为18°时声压级高出约8.6 dB.     

混合层流动的格子涡方法数值模拟

采用格子涡方法对二维平板混合层流动进行了数值模拟,重点考察了格子涡方法定量模拟混合层流动流场下游不同流向位置各湍流统计平均量的能力。模拟结果表明:除横向脉动速度均方根比实验值大外,混合层流动在下游不同流向位置的流向平均速度,流向脉动速度均方根和雷诺应力的模拟结果都与实验结果定量符合得很好。此外,模拟结果还很好地反应出混合层流动的自相似性质。从而表明,格子涡方法具有对空间发展混合层流动进行较精确的定量模拟的能力。     

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

小波分析在近地面湍流相干结构研究中的应用

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动,两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。     

流速比对颗粒在液固两相平板混合层中沉降的影响

本文采用流动显示的方法对平板混合层中上下层流体速度比对固体颗粒在混合层中沉降的影响进行了研究。实验中分别采用粒径小于 ４０ ｕｍ,粒径 ９８～１０４ｕｍ,粒径 １５４～１６０ｕｍ的玻璃微珠以及环氧树脂作为固相颗粒,对这些颗粒在速度比分别为１：１．２、１：２和１：２．８的液相混合层中的运动进行了显示。结果表明混合层中大涡结构对固体颗粒的沉降具有迟滞作用,其作用程度取决于混合层中上下层流体速度比。速度比越大,颗粒的沉降越慢。     

脉动参数对波纹通道内传热强化的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为5~500,Pr数为0.7.计算考察了脉动参数如脉动频率和振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,换热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大.受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定入口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致.     

三级行波热声发动机的声场特性

设计并搭建了一台三级行波热声发动机,并基于线性热声理论和实验研究分析了该热声发动机的声场特性。结果表明:理论计算中各级加热功率相同时,发动机声场对称;而实验中加热功率相同时声场存在不一致性,需要输入特定的加热功率来控制三级加热温度基本相同,从而保证三级声场基本对称,此时相邻两级对应位置的压力相位差在120°±10°范围内;随着充气压力和加热温度的升高,系统工作频率略有升高,变化不显著,系统压力振幅和压比则增大明显。以氮气和氦气为工质时,工作频率分别在20 Hz和55 Hz左右;实验中压比分别达到了1.28和1.18。