轴对称射流场涡结构的离散涡段方法研究

本文用三维离散涡方法,模拟了轴对称圆射流涡结构的发展。     

轴对称物体内三维残余应力场的确定

三维残余应力场的测量理论是国内外未能解决的问题.本文建立了新的轴对称空间力学模型,介绍了对45钢140×200圆柱体进行内剥层测量的实验.在分析中引入了罐载和非罐载应力的概念,为正确处理变动的边界条件给出了思路、使得空间力学模型真实地反映了轴对称体内残余应力的实质.在求解中提出了变应力函数及其解法,使得轴对称三维残余应力场的测量理论得到了真正解决.     

开缝钝体尾迹的拟序结构

弄清开缝钝体尾迹的拟序结构是认识其火焰稳定机理的基础。在雷诺数R e为470000条件下,采用RNGk-ε模型对通道内的开缝钝体尾迹进行数值模拟来分析大涡尺度的拟序结构。模拟结果显示,偏向一侧的中缝流将近尾分成主回流区和次回流区,主回流区的漩涡脱落激发扰动,引起近尾的绝对不稳定。并提出单涡突然置于两剪切层间的漩涡脱落机理来解释拟序结构不稳定特性。为了验证上述结论,在闭式风洞中采用激光粒子测速技术(P IV)对开缝钝体的尾迹进行了实验研究,其结果与数值分析较好地吻合。     

圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。     

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF（激光诱导荧光）流动显示和PIV（粒子图像速度场仪）测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、，即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。     

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

理想流体中定常自由涡环运动

本文研究理想均质不可压缩无界流体中的轴对称定常涡环运动。通过对柱坐标系下的定常Euler方程的高精度数值求解,给出了求涡核区有任意涡量分布情况下轴对称定常涡环解的方法,并就涡环的运动特性进行了讨论,其极限情况与已有的理论解完全一致。在此基础之上,还发展了一种柱坐标系下以傅氏级数为基函数作展开的高效谱方法,成功地解决了奇性(r=0)问题。     

基于LBM-LES的三维串列多圆柱绕流尾涡结构研究

为了研究三维串联多圆柱绕流在不同圆柱间距比L/D(L为圆柱的间距,D为圆柱直径)情况下的尾涡结构,基于格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用大涡模拟(LES)方法计算了高雷诺数下三维单圆柱及三维串联多圆柱在不同L/D情况下的尾涡流场.数值结果表明:LBM-LES方法可以较好地模拟出三维单圆柱以及串联多圆柱的尾涡结构;高雷诺数...     

基于涡尾迹方法的风力机气动性能分析

基于(势流)涡尾迹方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用固定尾迹涡模型和自由尾迹模型分别对气动设计性能进行计算分析,得到风力机设计工况下的涡位置、诱导因子、功率系数及扭矩系数等气动性能参数,并与设计结果对比。结果表明,涡尾迹方法能够快速准确地计算风力机叶片气动性能参数,对风力机叶片气动分析,固定尾迹涡模型较自由尾迹模型计算时间短,具有较好的实用性。     

钝体尾流控制机理及方法研究进展

首先从涡脱落生成理论出发对钝体尾流控制方法进行了分类,并简单介绍了国内尾流控制研究情况. 之后介绍了我们用窄条或小方柱取代小圆柱后,对Strykowsky和Sreenivasan 控制方法的改进及其在高雷诺数下对圆柱和方柱尾流涡脱落的有效抑制情况, 并探讨了控制件钝度对抑制效果的影响.第3部分用实验数据对各个涡脱落生成模型做了分析与检验, 指出控制件方法的机理与改变钝体分离位置、减小钝体背压吸力、改变流动的展向相关性、 防止钝体两侧剪切层相互作用等无关,而与钝体近尾流速度剖面的局部修正及其稳定性的改变有关. 最后简单介绍了控制件方法今后研究工作展望及其工程应用前景.     

基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论

利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.      

A HYBRID VORTEX METHOD FOR FLOWS OVER A BLUFF BODY

A hybrid vortex method was developed to simulate the two-dimensional viscous incompressible flows over a bluff body numerically. It is based on a combination of the diffusion–vortex method and the vortex-in-cell method by dividing the flow field into two regions. In the region near the body surface the diffusion–vortex method is used to solve the Navier–Stokes equations, while the vortex-in-cell method is used in the exterior domain. Comparison with results obtained by the finite difference method, other vortex methods and experiments shows that the present method is well adapted to calculate two-dimensional external flows at high Reynolds number. It is capable of calculating not only the global characteristics of the separated flow but also the evolution of the fine structure of the flow field with time precisely. The influence of the grid system and region decomposition on the results will also be discussed. © by 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变     

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长.FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.      

绕旋转圆柱流动涡尾流结构和临界状态特性

采用作者提出的基于区域分解，有限差分法与涡法杂交的数值方法，结合高阶隐式差分格式，和以修正的不完全ＬＵ分解为预处理器的共轭梯度法作求解器，系统地研究了雷诺数Ｒｅ＝１０００，旋转速度比α∈（０．５，３．２５）范围内，绕旋转圆柱从突然起到充分发展，长时间内尾流旋涡结构和阻力，升力系数的变化规律，计算所得流动图案与实验流场显示符合很好。数值试验证帝了临界状态的存在，并首次给出了临界状态时的旋涡结构特性。     

圆柱尾迹影响旁路转捩末期发卡涡涡包的研究

基于TR-PIV技术, 通过侧视和俯视两种情况对圆柱尾迹影响下旁路转 捩末期发卡涡涡包的结构及特征尺寸进行了实验研究. 结合二维空间子波变换和\lambda _{ci}准则, 运用线性随机估计方法对速度信号进行条件平均. 在侧视情况下, 条件平均结 果显示, 在边界层中一系列发卡涡涡头与壁面构成17^{\circ}的倾角, 并且被尾迹涡所占据的低 速区域出现在涡包上方的主流区中. 在俯视的结果中, 沿流向方向拉伸(流向尺度 3\delta, 展向尺度0.55δ)的低速条带结构出现在法向高 度为y/δ =0.2的流向-展向平面中, 并且在该低速条带的两侧对称地出 现了沿流向分布的反向旋转的涡结构. 可以得出: 在圆柱尾迹影响下旁路转捩的末期, 由于 尾迹涡诱导作用的影响, 发卡涡涡包在形态上显示出了更大尺度的特征.     

钝体绕流的分隔板控制技术研究进展

钝体是工程中一种常见结构,流体绕过钝体时产生的旋涡脱落易诱发结构振动,进而导致结构破坏．钝体后安装分隔板是一种典型的被动控制技术,分隔板推迟钝体尾流区剪切层之间的相互作用,进而有效改变钝体后旋涡脱落及尾迹特性,延长结构寿命,并且可以利用钝体一分隔板结构进行能量收集．本文全面回顾了利用分隔板进行流动控制和能量收集的研究及...