实验研究二维圆柱后尾流中涡脱落的有序和混沌现象

本文给出了在Re=50—400范围内二维圆柱后涡脱落的有序和混沌现象的一些初步实验结果。涡脱落由有序到混沌的转捩发生在Re=184.6—193.5之间,但是它不是通过准周期途径。在涡脱落频率与Re数的关系曲线上有两个间断。在Re=70处的间断可能对应于倾斜涡脱落模式的变化,在Re≈193.5处的第二间断对应于由有序到混沌状态的转捩。     

基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩, 在风洞中, 对平板模型进行了M=5的实验, 在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中, 发展了单点POD分析方法.经验证, 使用该方法重构数据的均方根(root mean square, RMS)峰值位置可表征转捩位置, 实用性强.      

高超声速边界层中由粗糙元引起强制转捩的机理

由大粗糙元引起的高超声速边界层强制转捩在航天技术中有实际应用, 因而近年来受到人们的广泛关注.虽然目前导致该转捩过程的内在机理尚不完全清楚, 但有一点是明确的, 即粗糙元的尾迹流场中存在强对流不稳定性.文章的出发点是研究这种对流不稳定模态是如何触发转捩的.首先通过CFD方法, 计算出高超声速边界层中粗糙元的尾迹流场, 并对其进行二维稳定性分析.结果发现, 在传统不稳定Tollmien-Schlichting(T-S)模态出现的临界Reynolds数之前, 存在高增长率的无黏不稳定模态, 表现为对称的余弦模态和反对称的正弦模态.然后对该不稳定模态在粗糙元尾迹流中的演化进行了模拟, 验证了二维稳定性分析的结果, 并考察了非平行性效应的影响.最后通过直接数值模拟, 研究由这些不稳定模态触发转捩的全过程.结果表明, 对流不稳定模态确实是导致边界层转捩的关键机制.该转捩过程的特点是, 局部湍斑首先在不稳定模态特征函数的峰值附近出现, 然后向全流场扩散.就文章研究的工况而言, 余弦和正弦模态的相互作用对转捩的影响并不明显, 且后者在转捩过程中起主导作用.      

高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题. 随着飞行速域与空域的不断拓展, 高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效, 从而深刻影响流动转捩过程. 相关研究涉及多个学科, 是典型的多物理场耦合问题. 近年来, 随着相关飞行器技术的快速发展, 高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现, 相关研究已成为国际上的热点领域. 本文综述相关研究进展, 首先介绍目前常用的高温气体物理模型, 尤其关注热化学非平衡模型, 并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法, 以及相关风洞和飞行试验技术的进展. 然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究, 其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣. 最后进行总结, 并对未来发展略作展望.      

基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.      

涡流发生器对风力机叶片流动控制的数值研究

基于γ-Reθt转捩模型,对旋转工况下加装涡流发生器NREL Phase Ⅵ风力机进行CFD数值模拟.本研究在叶片吸力面加装30对涡流发生器,分析来流风速7、10、13、15、20、25 m/s六个工况下,叶片表面绕流、风轮转矩和叶片表面压力系数及表面流线的气动仿真结果,并与NREL试验数据、光滑叶片模拟结果比较分析.研究结果表明,涡流发生器明显改善叶片表面的流动分离,提高叶片输出转矩,其中10、15、20 m/s风速下分别提升3.7％、10.8％、14.6％;从剖面流场看,涡流发生器可以使涡强度减小、涡高度降低、分离涡后移,对提升风力机气动性能等意义重大.计算结果与Phase Ⅵ风力机试验结果吻合良好,湍流模型的输出转矩最大误差仅9.3％.     

转捩边界层中流向条纹的新特性

基于边界层转捩后阶段的高精度直接数值模拟结果,发现流向条纹结构的低速条纹的演化过程中存在不连续现象,以及随高速条纹的发展会出现称之为"高速斑"的新特性. 通过详细剖析边界层转捩过程中的复杂涡系结构以及上喷下扫流动现象,证实流向高低速条纹新特性与流场涡系结构的演化过程紧密相关. 关键词： 流向条纹 边界层 转捩 直接数值模拟     

基于单色捕捉技术的透平导叶传热系数测量

采用窄带热敏液晶瞬态单色捕捉技术测量叶片全表面传热系数,以预先加热被测叶片并在主流中快速冷却的方法引入温度阶跃,利用3台3CCD（电荷耦合元件）相机对叶片表面的不同区域进行图像采集记录,将图像坐标转换至叶片空间坐标,通过后处理得到叶片表面传热系数。由实验结果分析可知,叶片前缘区域传热系数最大值位于加速最剧烈处,在吸力面...     

微小通道内空气流动特性实验研究

研究了空气在不同压比条件下,在内径分别为0.4 mm和0.5 mm的微圆直管内的流动特性.研究表明空气流过微圆管的阻力系数是常规管道的4至5倍,且存在层流状态提前过渡到湍流状态的提前转捩现象.微圆管管径越小,管内流动压力损失越大.     

自然对流边界层中湍流的发生

自然对流边界层中从层流到湍流的转捩经历了浮力振型、无摩擦振型和黏性振型的三重流动不稳定性相继产生的前转捩过程,以及近壁迅速出现强湍流源,随之平缓地向自模拟的湍流边界层过渡的热转捩过程.浮力振型在修正Grashof数G>40时开始失稳并成为主要振型,在振幅分布中3种振型的临界层位置处出现3个峰值;在G>100时浮力振型消失,无摩擦振型失稳并成为主要振型,振幅分布中在近壁区还出现黏性振型的峰值;在G>170时无摩擦振型经非线性演化在外层形成较弱的湍流,但内层黏性应力仍远高于湍流应力,振幅分布中仅有与黏性振型相应的峰值,在频谱中黏性振型的基频、第一、第二、第三阶亚谐频随G的增加相继出现,此时黏性不稳定波的高频成分已转化为湍流,但低频成分仍按线性规律增长,直至湍流惯性子区开始形成;至G>800时黏性振型消失,并在G=850附近时近壁区出现强湍流源,湍流应力、湍能产生项和近壁湍流热流率剧增.在热转捩后期,湍流应力和湍能产生项明显下降,流动在内外层趋于平衡.