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。     

实验研究湍流附面层分离

本文应用二维激光多普勒测速技术和压强探针测量了二元非对称曲面扩张通道内的湍流附面层分离,得到了时均速度、流动平均方向角、正反向间歇流动因子以及静压分布.实验结果表明:附面层沿高度方向存在着明显的压强差,并可用位移厚度曲率做二阶近似修正.分离附面层的位移厚度曲率极大值对应于间歇瞬时分离点.瞬时流动平均方向角与正反向间歇流动因子成线性变化.     

基金重大项目“复杂气体流动中旋涡、分离的流动机理与控制”四年成果的简要总结

旋涡与分离是流体运动的一种普遍形式,其发生、发展、彼此间的相互作用及对外部作用的响应等支配着整个流动．该项目从分析复杂流动入手,采用理论分析、数值模拟和实验研究紧密结合的方法,揭示其流动机理、发展分离与旋涡特性的预示方法,探索有效的控制原理和技术,不...      

定常流下动脉狭窄局部流场的有限元分析

本文利用有限元数值模拟对定常流下动脉狭窄的局部流场进行了系统研究。在数值模拟中求解非线性轴对称Navier-Stokes方程,并对不同狭窄率、不同雷诺数、不同狭窄形状下的流场速度分布、压力降分布和壁面剪应力分布进行了全面细致的分析和讨论。     

钝体高超声速三维分离流场特性数值研究

以双子星座简化外形为模型，通过有限差分法求解全Ｎ－Ｓ方程，数值研究了高超声速绕流中的三维分离流动特性。来流Ｍ＿∞＝７．０，Ｒｅ＿∞＝４．５×１０￣５，攻角范围为１０°－４０°。首先通过与实验油流照片的比较，证明了本文计算分离结构定性上的正确性。然后研究了不同攻角下背风面三维分离结构的变化，给出了柱段背风区常点型开式分离随攻角变化转变为整体闭式分离的过程，并从物理上分析了这种转变过程的合理性，认为不同分离形态在分离线起始点附近都有共同的压力条件，即垂直于分离线的逆压梯度，因此横向分离可以从常点型开式分离直接转化为闭式分离。     

等速上仰翼型分离流动结构的研究

本文通过在翼型上游和翼表面边界层内放置产生氢气泡的铂丝的方法,清楚地显示了上仰翼型分离剪切层的结构。揭示了在不同的翼型转动角速度范围内,存在三种分离流结构。研究了失速涡,剪切涡及起动涡随时间的演变,它们之间的相互作用和转动角速度等参数的影响,分离剪切层的流动显示结果,结合翼型上气动力与流场中涡量矩的关系的理论,定性地解释了上仰翼型产生非定常高升力的原因。     

平流层双轴椭球体飞艇绕流场的数值分析

本文在CFD软件FLUENT6.3的计算平台上采用时均Navier—Stokes方程与Realizable k-ε湍流模型对平流层双轴椭球体飞艇进行了数值模拟。着重分析了与飞艇轴线垂直的截面的周向摩擦阻力系数和压力分布情况,飞艇背部的分离流动特点,物面剪切层分离流动规律,空间流态,以及它们随攻角的变化规律。结果发现,飞艇背部的分离流动是基本对称的。在小攻角下只存在闭式分离,而随着攻角的增大也出现了开式分离。分离区随着攻角的增大而增大,分离线的起始点位置随着攻角的增大向上游移动。15°攻角时没有发现二次分离,30°,40°,45°攻角下都发现了二次分离。在相同的攻角下伴随流动沿飞艇轴线向下游发展时,分离流动的区域在横向截面上增大了。     

动脉局部狭窄时脉动流的有限元分析

本文利用有限元方法研究动脉局部狭窄下的脉动流流场,重点考查在50％与80％面积狭窄下的速度分布、压力分布、壁面剪应力分布及流动分离情况。几何形状及边界条件均模拟相应的脉动流实验模型。采用测得的随时间变化的速度分布作为入口端条件,并利用罚函数和逆风格式等计算技巧得出了光滑的与实验基本相符的速度、压力波形。本文讨论了不同狭窄下速度、压力、壁面剪应力的分布形态,给出了脉动流中狭窄处局部流动分离的间歇性变化规律,并结合实验与临床应用进行了讨论。     

大型飞机阻力预示与减阻研究

简要说明了大型飞机减阻的重要意义,对国内外大型飞机计算流体动力学(CFD)和风洞实验等阻力预示技术进行了初步的评估和分析,重点论述了大型飞机减阻气动布局及装置、减低诱导阻力方法和减低摩阻方法的研究现状和发展趋势,指出中国需要进一步提高CFD和风洞实验阻力预示技术水平,同时加强对气动布局、优化设计以及流动控制等基础科学技术问题的研究. 对中国发展大型飞机能起到借鉴和参考的作用.     

两相流中圆柱状粒子阻力的研究

将圆柱状粒子和圆球粒子建立等效关系，由等效面积法得到了作用在圆柱状粒子上的阻力，然后通过有限体积法对圆柱状粒子的阻力进行了数值求解，经比较发现，在层流状态时由等效面积法得到的圆柱状粒子的阻力要乘上一个1．5—2的常系数．     

A NUMERICAL STUDY OF OPTIMAL DRAG REDUCTION FOR TURBULENT TRANSONIC PROJECTILES USING A PASSIVE CONTROL

Abstract

The purpose of this research is to numerically study a drag reduction method—passive control of shock/boundary layer interaction, which is applied to the boattail portion of a secant-ogive-cylinder-boattail projectile in turbulent transonic flows. The flow pattern and the components of aerodynamic drag computed from numerical data are analyzed. The effectiveness of this method is studied by varying the values of parameters such as porosity distribution, maximum porosity factor and size of porous region. The conditions for optimal drag reduction are investigated and reported. The present results show that the use of this passive control method can not only reduce the boattail drag but also the base drag, and results in an additional 8% total drag reduction compared to that without the passive control technique. This passive control method can be an effective approach for the design of high-performance projectiles in the transonic regime.     

椭球体绕流阻力数值模拟研究

颗粒在无界均匀流场中的阻力是颗粒多相流领域最基本的问题之一。在相关的工程应用与科学研究中,颗粒基本都是非球形。早期基本以相同体积的圆球阻力来近似非球颗粒的实际阻力,近来则提出了多种基于实验数值拟合的非球颗粒阻力经验公式。本文通过高精度的计算方法,系统模拟了从扁平到细长的回转椭球颗粒,在常见的颗粒雷诺数范围内（0.1~1000）,对于各种来流攻角条件下的阻力,数值模拟结果得到了已知理论解的充分验证。在不存在理论解的大多数条件下,将数值结果与多种流行的经验公式结果进行了系统比较。一般而言,当颗粒以最大迎风面积置于来流中时,其所受阻力最大。但是数值模拟发现了特例,在流动进入牛顿阻力区时（雷诺数1000）,扁平的椭球在回转轴与流向一致时（此时具有最大迎风面积）,其阻力反而小于倾斜置于流场中的结果。对流动结构的分析表明,这是因为在非轴对称条件（颗粒倾斜）下,流动更容易失稳,造成紊乱的尾流,使得压差阻力上升。综合分析表明,对于给定的颗粒形状,数值模拟相对于通过各种实验数据拟合得到的适用于一般非球颗粒的经验公式具有更高的精度。累积更大量的高精度数值模拟结果,有望给出具有更高精度、更具适应性的阻力公式。

     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

粘土悬浮液明渠流的减阻现象

水和粘土悬浮液在水槽中的流动试验证明，在粗糙边界上的粘土悬浮液明渠流阻力明显小于清水流．在同样水力条件下粘土悬液的时均流速比清水流速大得多．当悬液浓度较高时，流动阻力系数比清水流阻力系数的一半还小．实验表明粘土悬液的高粘性和屈服应力抑制了紊动的发展，减小了紊动剪力，导致阻力降低．对于光滑边界湍流，粘土悬液的阻力系数与清水流的相近，不发生减阻现象     

聚合物溶液的两种层流状态及减阻机理

本文简要评述了聚合物稀溶液减阻的研究现状。对哈佛小组所提出的聚合物层流的新观点以及在此基础上建立的机理模型进行了综述。      

高超声速压缩拐角峰值热流位置预测模型研究

旨在通过建立高超声速压缩拐角流动的再附点附近的模型理论来揭示峰值热流的产生机理以及如何可靠预测其位置.首先,分析再附点附近流动特征,提出了基于可压缩斜驻点流动模型来近似该处的局部流动.其次,近似求解了该流动模型,发现边界层厚度存在极小值的特征,从而揭示了再附点后峰值热流的产生机理,并由此得到了再附点和峰值热流点间距离的半解析半数值估算方法.最后,对此结果作了数值验证,并做了讨论.      

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 在条纹沟槽表面减阻的研究发展及其优点的基础上 对条纹沟槽表面减阻进行水洞实验,研究在航行器外表面加工条纹沟槽所具有的阻 力特性. 通过对光体、0.1mmV型条纹沟槽表面和0.2mmV型条纹沟槽表面3 种不同模型在零攻角、不同水流速度下进行阻力测量, 测得条纹沟槽表面减阻特 性曲线. 从特性曲线中可以看出减阻效果约为8.3%. 实验的结果表明, 条纹沟槽 表面能明显降低水下航行器的阻力.     

剪切流下发生涡激振动的柔性立管阻力特性研究

利用缩尺模型试验的方法研究了线性剪切流下涡激振动发生时柔性立管的阻力特性.文中基于光纤光栅应变传感器测得的模型应变信息,采用梁复杂弯曲理论计算了立管的平均阻力,继而分析了阻力系数沿管长方向和雷诺数的分布特性以及涡激振动对阻力系数的放大效应,并提出了用于估算柔性立管发生涡激振动时阻力系数的经验公式.结果表明:涡激振动对阻力系数有放大效应,使得立管局部阻力系数高达3.2;平均阻力系数在1.0×104到1.2×105的雷诺数区间内的值为1.3~2.0,并随雷诺数的增大而减小.本文提出的经验公式可准确估算高雷诺数下涡激振动发生时柔性立管的阻力系数,此经验公式考虑了流速、涡激振动主导模态以及主导频率对阻力系数的影响.