高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

高超声速圆锥边界层转捩实验研究

在高超声速静音风洞内, 通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射(nano-tracer-based planar laser scattering, NPLS)技术、高频压力传感器和温敏漆(temperature sensitive paints, TSP)技术开展了0°攻角条件下7°直圆锥高超声速边界层转捩相关实验研究, 得到了圆锥边界层由层流发展至湍流完整过程的NPLS图像, 清晰地展示了第2模态波的"绳状"结构, 尖锥与钝锥边界层的NPLS结果表明尖锥边界层转捩中第2模态波占主导, 而钝锥边界层在转捩前出现波长约为第2模态波波长5倍(甚至更长)、特征频率不高于31 kHz的狭长涡结构; 采用功率谱密度(power spectrum density, PSD)分析、互相关和N值计算对高频脉动压力数据进行分析, 得到了边界层内扰动波的发展规律, 在尖锥和钝锥中均观察到了沿流向第2模态波幅值先增大后减小、特征频率逐渐降低, 低频成分逐渐增加, 表明边界层发展过程中第2模态率先发展达到饱和, 而后逐渐衰减, 而低频模态则逐渐发展; 通过TSP技术得到了不同单位Reynolds数下的圆锥表面温升分布, 结果表明, 随单位Reynolds数增大, 边界层转捩阵面前移.      

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

高超声速条件下7°直圆锥边界层转捩实验研究

在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7?的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量,研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明:高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大,当单位雷诺数从2×106m~(-1)增加到8×106m~(-1)时,第二模态波的特征频率从55 k Hz增加到226 k Hz;随着单位雷诺数增加,边界层中扰动增长速度加快,第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置;相同单位雷诺数条件下,随着第二模态波的向下游传播,其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响,自由来流湍流度降低,边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8—0.9倍.在1?小攻角条件下,圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异,背风面边界层中扰动发展提前,第二模态波出现在更靠近上游的位置,而迎风面中扰动发展受到抑制,第二模态波特征频率更大.     

前缘形状对钝三角翼边界层稳定性及转捩的影响

选择典型高速流动条件,基于线性稳定性理论研究了不同前缘几何特征对典型大后掠角平板钝三角翼外形高速边界层流动稳定性及转捩的影响.研究表明,椭前缘(截面为椭圆)形状的变化仅影响前缘附近的流场特征和边界层流动稳定性;前缘截面长短轴比(形状因子)变大,前缘形状变尖,则横流速度变大,扰动波增长率变大;对于横流模态和第1模态,不同...     

低雷诺数反齐默曼机翼的气动特性

通过PISO方法求解非定常不可压N-S方程,研究小展弦比反齐默曼机翼在低雷诺数下的流场特征,并分析其对气动特性的影响.结果显示前缘分离涡在反齐默曼机翼上表面形成一对集中涡.分析表明这对集中涡是影响反齐默曼机翼气动特性的主要因素,给机翼提供了较大的非线性升力和较大的失速攻角,前缘涡之间的相互影响使得机翼出现非定常现象和大攻角的非对称现象.与矩形翼相比,反齐默曼机翼有较好的稳定性.     

前缘曲率变化对平板边界层感受性问题的影响

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,是实现边界层转捩预测和控制的关键环节.目前已有的研究成果显示,在声波扰动或涡波扰动作用下前缘曲率变化对边界层感受性机制有着显著的影响.本文采用直接数值模拟方法,研究了在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘平板边界层感受性问题,揭示椭圆形前缘曲率变化对平板边界层内被激发出Tollmien-Schlichting (T-S)波波包的感受性机制以及波包向前传播群速度的影响;通过快速傅里叶分析方法从波包中提取获得了不同频率的T-S波,详细分析了前缘曲率变化对不同频率的T-S波的幅值、色散关系、增长率、相速度以及形状函数的作用;确定了前缘曲率在平板边界层内激发T-S波的感受性过程中所占据的地位.通过上述研究能够进一步认识和理解边界层感受性机制,从而丰富和完善了流动稳定性理论.     

高超声速飞行器复杂外形转捩预测

采用k-ω-γ 转捩模式对某新型飞行器外形的典型流动特征和边界层失稳特性进行了分析.研究结果表明,横流是影响飞行器大面积转捩的主要因素.随着高度增加,来流Reynolds数减小,迎风面和背风面的转捩起始位置均向下游移动.随着攻角增加,头部附近背风面的展向压力梯度增大,横流效应增强,转捩起始位置向上游移动;另一方面攻角增...     

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

激光聚焦扰动作用下高超声速边界层稳定性实验研究

在马赫数6、单位雷诺数3.1×10⁶/m的条件下对半锥角7°直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动,分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量,通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现,相比于不添加激光聚焦扰动的结果,添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前,且扰动波的幅值大幅度地增加,在相同的流向范围内,激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段,其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时,激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时,边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快,在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81,相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时,边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz,相同范围内,其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见,当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时,其对边界层中扰动波的影响更为显著.     

动静干涉效应对轴流透平级气动性能的影响

本文对Aachen一级半轴流式透平进行了准定常及非定常流动的数值模拟,讨论了引发动静干涉效应的主要因素,分析了非定常效应对叶栅通道中脉动速度、气流角、型面压力分布以及损失结构的影响。结果表明,对于Aachen透平而言,上游叶片排的尾迹区及二次涡是引发下游叶栅通道流场强非定常特性的最主要因素,引起了脉动速度、型面压力、攻角以及损失的较大变化,从而对透平级性能产生较大的影响。     

基于Spalart-Allmaras-γ-Re_(θt)转捩模型的横流不稳定性转捩预测方法

传统的应用稳定性理论对横流不稳定性转捩现象的预测很难与现代CFD并行化计算结合,为了解决这个问题,文章基于SA-γ-—Re_(θt)转捩模型,使用不可压三维边界层相似性解实现横流位移损失厚度Reynolds数在流场中的当地化求解,结合亚音速试验数据-C1准则构建横流不稳定性转捩判据,从而实现了横流不稳定性转捩预测方法的当地化并行求解.首先采用SA-γ-—Re_(θt)转捩模型对NLF(1)-0416翼型进行了流向转捩预测,证实了该模型的正确性.然后应用所建立的横流转捩模型对45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼和DLR-F5机翼,以及标准6∶1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟,计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好,证明了文章所建立的方法在不可压边界层转捩预测具有较高的预测精度.     

平板边界层转捩过程中低频信号的产生

利用Fourier频谱分析和小波变换处理在平板边界层转捩过程中测得的速度信号,观察到频谱中存在低于基本扰动波频率的含能信号,即文中所谓的低频信号.在进一步分析中,发现这种低频信号的产生可能与流动的间歇性有关.由于流动的间歇性导致速度信号的脉动,数据结构产生间歇变化,这种信号并不一定对应于流场中的某一物理结构的真实频率 关键词： 边界层 转捩 Fourier频谱分析 小波变换     

压气机叶片附面层转捩的试验研究

本文利用新式的表面热膜系统测量了一组大转折角压气机叶片吸力面附面层的准剪切力分布,系统地研究了不同雷诺数下叶片吸力面边界层的自然转捩过程.试验结果表明:低湍流密度下,转捩区域并不随着雷诺数的改变而变化,雷诺数在3.4×104到8.4×104的范围内,下边界层都是从距离叶片前缘点约40%弦长位置处开始转捩,转捩完成区域位于距离尾缘约30%弦长位置.     

基于Spalart-Allmaras-γ-\begin{document} ${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$ \end{document}转捩模型的横流不稳定性转捩预测方法

传统的应用稳定性理论对横流不稳定性转捩现象的预测很难与现代CFD并行化计算结合, 为了解决这个问题, 文章基于SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型, 使用不可压三维边界层相似性解实现横流位移损失厚度Reynolds数在流场中的当地化求解, 结合亚音速试验数据-C1准则构建横流不稳定性转捩判据, 从而实现了横流不稳定性转捩预测方法的当地化并行求解.首先采用SA-γ-${\overline {Re} _{\theta {\rm{t}}}}$转捩模型对NLF(1)-0416翼型进行了流向转捩预测, 证实了该模型的正确性.然后应用所建立的横流转捩模型对45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼和DLR-F5机翼, 以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟, 计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好, 证明了文章所建立的方法在不可压边界层转捩预测具有较高的预测精度.      

无限展长后掠翼边界层定常横流不稳定转捩分析

采用γ-Re_θt横流转捩拓展模型对NLF （2）-0415无限展长后掠机翼进行数值模拟,重点分析来流雷诺数、机翼表面粗糙度及后掠角对边界层横流不稳定性的影响.研究发现γ-Re_θt横流转捩拓展模型能够准确预测边界层定常横流不稳定转捩,计算结果与试验数据吻合较好.结果表明来流雷诺数越大、机翼表面越粗糙,横流转捩位置越靠前;随着机翼后掠角的增加,转捩位置先前移随后逐渐靠后.     

电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究

提出了施加电磁力于边界层实现流动控制和降低水动力噪声的方法。对未施加与施加电磁力后翼型模型的流场与声场进行数值计算,结果表明:流向电磁力可延缓翼型表面的流动分离,抑制离散小涡生成,减弱翼型表面的湍流脉动压力,达到降低水动力噪声的目的。归纳了电磁力降低水动力噪声效果随雷诺数、攻角和电磁作用参数的变化规律,同时在循环水槽中对电磁力控制翼型水动力噪声的效果进行试验验证。由于转捩区是翼型模型的压力最小区域且面积非常有限,通过研究电磁力的作用方式,发现只在转捩区施加电磁力,即可达到最佳的降噪效果且减小了功耗,并分析了磁泄露带来的影响。研究结果为抑制翼型的水动力噪声提供了一种新的思路。     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.