Electro-Magnetic Control of Vortex Shedding Behind a Circular Cylinder

Both open- and closed-loop control algorithms have been developed for suppressing of vortex shedding behind a circular cylinder in an electrically low-conducting fluid. For the open-loop control, the localized Lorentz forces are generated parallel to the cylinder surface, which have the accelerated effect to the fluid. Furthermore, two closed-loop control methods have been derived from the equations of motion capable of determining at all times the intensity of the Lorentz force to control the vortex shedding of a cylinder.     

翼型绕流的洛伦兹力控制机理

在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力,可提升翼型的升力减小阻力,然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率,为提高洛伦兹力的控制效率,需研究其控制机理.以翼型绕流的洛伦兹力控制为例,利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究.结果表明:洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降,升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系,但升力增加和阻力减小的规律不变,都是升力先急剧增加随后缓慢增加,而阻力先急剧减小然后再缓慢增加,基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小,随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力,导致升力减小和阻力增加,流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降,增加翼型升力和压差阻力;壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小,壁面压力变化起主导作用;洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大,洛伦兹力推力起主导作用,因此阻力减小.     

槽道湍流的展向振荡电磁力壁面减阻

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流的展向振荡电磁力的减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度和振荡频率对湍流猝发事件以及壁面减阻率的影响.结果表明,电磁力强度或振荡频率变化时,湍流猝发频率和猝发强度的变化趋势是相反的,所以存在最优参数使得减阻效果最好.等价壁面展向速度可以很好地描述电磁力强度和振荡频率的变化对减阻效果的综合效应。     

翼型绕流电磁控制的实验和数值研究

分布在弱电介质溶液中的电磁力(Lorentz力)，可以有效地控制边界层的流动.利用以转动水槽为主的实验系统和基于双时间步Roe格式的数值方法，对翼型绕流的电磁控制进行了实验和数值研究.结果表明，对于一定攻角的翼型，电磁力可以控制其绕流形态.当电磁力方向与流动方向相同时，可以抑制分离，消除涡街，其效果与减小攻角类似.当电磁力的方向与流动方向相反时，可在流场中形成大涡组成的涡街，增强流体的混合能力，其效果与增大攻角类似.     

聚心火焰在共振腔作用下引发爆轰的数值研究

 基于带化学反应的二维轴对称Euler方程，利用带有Superbee限制函数的波传播算法，对共振腔中的氢气-空气预混气的聚心燃烧进行了数值模拟，讨论了共振腔不同抛物面对起爆的影响。数值结果表明，在开始阶段，燃烧诱导的激波在轴心、火焰和固壁的反射，使火焰失稳，随后共振腔中的抛物壁面上产生一定频率和强度的反射激波，不断穿越火焰，使火焰进一步失稳，加剧了燃烧速度，最终导致爆轰的形成。同时，火焰在与激波的作用过程中，形状扭曲变形，呈封闭端小敞口端大的扁平头部蘑菇云。共振腔抛物面的不同形状引起激波聚焦位置的变化，会影响激波和火焰的相互作用，使起爆提前或推迟，甚至不起爆。     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

可燃颗粒悬浮流中的正激波

本文讨论了激波后可燃颗粒点火、燃烧的机制和波后流场的松弛结构,结果表明,点火阶段颗粒外层浓度梯度极大,燃烧速率由非均相化学反应速率决定,而在燃烧阶段,外层的浓度梯度极大,燃烧速率由气体的扩散速率所决定。在考虑管壁效应时,对守恒方程中的能量耗散项作了说明。     

槽道湍流展向振荡电磁力控制的实验研究

对槽道湍流的展向振荡电磁力控制进行了实验研究,讨论了展向振荡电磁力对宏观流场、近壁湍流结构以及壁面阻力的影响.采用谱方法进行了数值模拟的对比.数值模拟和实验结果均表明展向振荡电磁力能够使近壁区域的宏观流场产生周期性振荡,并影响壁湍流的条带结构,使其在展向上发生倾斜,从而使壁面阻力减小.     

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

激波与堆积粉尘相互作用的实验和理论研究

通过对激波与堆积粉尘相互作用的实验和理论分析，可得到堆积粉尘本构方程。基于该方程，本文对激波与堆积粉尘相互作用现象进行了数值模拟。计算所反映的流场结构与实验图像一致。