超声速边界层/混合层组合流动的稳定性分析

利用可压缩线性稳定性理论研究了超声速混合层考虑壁面影响流动时的失稳特性. 基本流场选取了具有不同速度特征的2 股均匀来流,进入存在上下壁面的流道中. 混合层与边界层的距离为1~3 个边界层厚度,其中壁面取为绝热壁. 分析了该流动在超声速情况下的稳定性特征,同时还讨论了不同波角下的三维扰动波的演化特点,并与二维扰动波进行了比较和分析. 研究结果表明,在此流动情况下,边界层流动和混合层流动的稳定性特征同时存在,并互有影响,其流动稳定性特征既有别于单纯的平板边界层,也有别于单纯的平面混合层,呈现出了新的稳定性特征.     

可压缩空间发展混合层亚谐扰动作用分析简

基于线性稳定性理论,建立了可压缩空间发展混合层亚谐扰动作用的唯象分析图,用以分析并判定亚谐扰动相差对基频涡卷非线性演化类型的影响,据此导出了基频涡卷各类非线性演化的定量的相差唯象模型. 研究发现,当亚谐扰动波长较小时,对于单一亚谐扰动,基频涡卷的演化类型共4 类,分别是撕裂、中心对称群并、第1 类非对称群并和第2 类非对称群并现象. 撕裂与中心对称群并为特殊现象,对应特定的相差点;非对称群并为常见现象,对应除这些相差点之外的相差区间. 当亚谐扰动波长较大时,由于扰动幅值随空间指数增长,只存在非对称群并现象.     

新型涡轮流量计的理论模型简

基于动量力矩定理和流体边界层理论,建立了一新型涡轮流量计的理论模型. 利用该理论模型可以分析叶轮几何参数对流量计计量性能的影响. 以一DN50 涡轮流量计为例,利用本文所建立的理论模型对该流量计的仪表系数进行了计算,并在一体积管标准装置对该流量计的仪表系数进行标定. 结果表明,计算值和实验值较为吻合,误差在±;3.5% 以内,验证了模型的有效性,从而为仪表的结构优化设计提供了理论依据.     

钢--混凝土组合结构抗震性能研究进展简

钢-混凝土组合结构的抗震性能受到了工程研究领域的广泛关注. 本文总结了国内外研究者在组合梁、组合柱、组合节点及组合框架结构抗震性能方面的试验研究概况,分析了组合构件的作用机理及地震损伤演化累积效应,讨论了钢-混凝土组合结构地震反应分析的数值模型,包括微观模型、宏观模型以及近年来迅速发展的多尺度模型,并阐述了组合结构抗震性能评价指标及抗震性能水平的确立方法.     

串列风力机尾流干扰的研究简

广义致动盘方法是通过引入体积力代替叶片的致动盘技术与三维Navier-Stokes 方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法. 该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究. 以NH1500风力机为计算模型,将常规CFD (computational fluid dynamics) 方法与广义致动盘方法计算所得的叶片载荷分布进行比较,以验证广义致动盘方法的可行性. 然后使用广义致动盘方法对风场中串列风力机进行数值模拟,研究串列风力机之间间距变化时,上游风力机产生的尾流对下游风力机的干扰影响.     

基于稳定理论的剪切薄膜屈曲分析简

依据大挠度屈曲理论,考虑沿褶皱方向张拉应力对薄膜结构的影响,推导出了屈曲后的褶皱构形参数表达式,并结合试验结果对所得公式进行了简化. 采用该公式对剪切位移载荷作用下平面张拉薄膜的屈曲现象进行分析. 通过与已有文献公式以及ABAQUS 数值分析结果和试验结果进行比较,从而验证了该公式的有效性和合理性.     

浮泥对非线性波的运动响应简

将浮泥作为高黏度牛顿流体,与水体构成互不相混的两相流体,基于垂向二维RANS 方程(Reynolds-averaged Navier-Stokes)、SST 湍流模式(shear-stress transport),利用流体体积法(volume of fluid,VOF),结合数值造波、消波技术模拟波浪,建立了波泥耦合运动的数学模型,研究了线性波、Stokes波和椭余波作用下,浮泥界面的运动响应. 发现在各种波浪条件下,界面位移与表面位移间有相近的波形,两者间存在相位差,其值随周期和波高的变化不大;界面波高基本正比于表面波高,它随周期的增长呈单调增大的趋势.     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

井壁失稳区域确定方法及影响因素分析简

井壁失稳区域及其面积能够反映井壁失稳破坏特性及其严重程度,以井壁安全系数作为识别准则,建立了井壁失稳区域识别方法,并基于Monte-Carlo 方法,给出了井壁失稳面积的计算方法. 以井壁坍塌为例,分析了钻井液密度、井斜角及方位角对井壁失稳区域特性的影响,以本文建立的失稳区面积计算方法,分析了不同地应力场中井眼轨迹对井壁失稳区大小的影响,评价结果符合工程实际,表明能够利用本文方法评价井壁失稳特性及其严重程度.     

三维扰动波的非平行边界层稳定性研究

导出了三维扰动波的原始变量形式的抛物化稳定性方程（PSE）,研究了三维空间模态TS波的非平行边界层稳定性问题.采用了法向四阶紧致格式,以提高计算精度.通过给出不会导致奇性的坐标变换、修改外边界条件以及克服平行流初始值的瞬态影响和推进步长的限制,保证了计算的数值稳定.用补全元素带状矩阵法求解块三对角矩阵,大大提高了速度.计算结果清楚地显示了三维扰动波的演化过程和非平行性对边界层稳定性的影响,特别是,观察到非平行性对三维扰动波的影响,有时会使其稳定性出现逆转的现象.还研究了逆压梯度的作用.算例的结果与其他结果符合良好.     

可压缩边界层与混合层失稳结构的研究进展及其工程应用

本文回顾了可压缩边界层与混合层中失稳结构及其应用的研究进展. 这些工作包括人们对高超声速平板边界层失稳特性、高超声速圆锥边界层转捩攻角效应的产生机制和可压缩混合层失稳特性的研究认识,以及这些相关认识的3 个应用方向. 这些相关工作丰富了人们对高速流动转捩和湍流拟序结构的认识.     

超声速混合层中扰动增强混合实验

以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering, NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层($Mc=0.5$)的混合增强效果. 首先通过系列实验优化设计了扰动参数. 实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感. 二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展. 总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动. 由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.      

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

超音速气流中受热壁板的稳定性分析

采用Galerkin方法建立二维壁板的非线性气动弹性运动方程,用一阶活塞理论模拟壁板 受到的气动力. 基于李雅普诺夫间接法分析了平壁板的稳定性,得到了壁板失稳的边界 曲线;采用牛顿迭代法分析了壁板的屈曲变形,进而分析了后屈曲状态下壁板的稳定性; 在时域中分析了后屈曲状态下壁板的颤振边界. 分析结果表明,为了保证计算精度, 在二维壁板的静态失稳及过屈曲变形分析中,至少要取二阶谐波模态;在平壁板的超音速颤 振(动态失稳)边界分析中至少应取四阶模态. 还对壁板的温升,壁板长厚比、壁板密 度和气流马赫数作了无量纲变参分析,研究了这些参数的变化对壁板稳定性的影响规律. 研 究中发现,当气流速压较低时壁板一般会稳定在低阶谐波模态的屈曲变形位置,但是如果系 统出现多个渐近稳定的不动点,即使作用在壁板上的气流速压很低,壁板也有可能在较低速 压下发生二次失稳型颤振.     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动,数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明,数值模拟结果 与理论吻合,得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致,湍流流谱定性合理.     

一种适用于超音速边界层的湍流转捩模式

建立一种合理反映扰动模态和可压缩性影响的新型k-ω-γ转捩模式.其主要特点为:(1)假设脉动动能k 由湍流脉动部分和非湍流脉动部分组成,且在模化后者时采用了稳定性分析的结果; (2)在间歇因子γ方程的源项中,构造了具有``自动判断转捩起始位置'功能的函数; (3)通过构造新型的物面法向长度尺度,保证了模式中所有的表达式均由当地变量构成,可以方便地应用于现代CFD程序之中. 该模式在亚音速、超音速和高超音速条件下的边界层流动中进行了验证. 计算结果表明,该模式可应用于较宽马赫数范围内的自然转捩以及旁路转捩过程,所具有的捕捉流动转捩的性能优于国际上的现有模式.