水下对转螺旋桨流致辐射噪声机理与预报方法*

水下对转螺旋桨流致辐射噪声的预报对于水下目标的特征提取和分类识别具有重要意义。由桨叶的旋转引起的湍流场是水下对转螺旋桨流致辐射噪声的源场。分述了水下对转螺旋桨湍流边界层脉动、旋转干涉效应和空化效应引发的水动力噪声机制和研究进展,比较了目前工程应用中的3种对转螺旋桨流致辐射噪声预报方法的特点。在分析对转螺旋桨流致辐射噪声数值预报难点的基础上,综述了对转螺旋桨流致辐射噪声计算方法的研究进展,指出间接数值模拟方法是工程中进行对转螺旋桨流致辐射噪声预报的有效方法。     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

二维衰减湍流的速度加速度结构函数

湍流场中二阶速度加速度结构函数 (velocity-acceleration structure function, VASF) 被认为与尺度间能量或者拟涡能的传递相关,其正负表明传递的方向. 三维湍流中,能量从大尺度向 小尺度传递,VASF 为负. 在二维湍流中,能量反向传递到大尺度,拟涡能正向传递到小尺度,因此理论上 VASF 无论在反向能量级串区还是在正向拟 涡能级串区均为正. 然而,相对于三维湍流中 VASF 的充分研究,二维湍流中 VASF 的正负性迄今尚无实验或数值模拟数据验证. 本文通过三维二维湍流中普适的公式推导,指出在空间非均匀湍流场中,VASF 除了尺度间传递,还受到非均匀项的影响. 一种常见的空间非均匀湍流场是在实验研究中常用的风洞或水洞中,湍流发生装置 (如栅格) 后的湍流. 该流场中,湍流强度随下游位置增大而逐渐衰减,这种衰减则带来空间上的非均匀性. 本文在基于竖直流动皂膜的二维衰减湍流场中,利用拉格朗日粒子追踪法测得在拟涡能级串区的 VASF,并分析各部分的影响. 结果表明,虽然尺度间传递项为正值,但由于衰减带来的非均匀项为负值,使得 VASF 的值为负,使之失去了表征拟涡能传递方向的意义. 因此,在类似风洞、水洞、水槽等衰减流场中对 VASF 的讨论不应忽略非均匀项. 最后对与 VASF 密切相关的弥散过程进行分析,发现后期弥散过程变慢是由于负的 VASF 导致.      

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离(S~*)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数Re≈580～1100,无量纲距离S~*2～3时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当S~* 2～3时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离(x/R)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数Re、韦伯数We和奥特沃斯数Eo等各无量纲参数的标度规律.     

高雷诺数壁湍流的研究进展及挑战

高雷诺数壁湍流(high Reynolds number wall-bounded turbulence,HRNWT)是目前湍流科学研究的一个热点也是一个难点,对其现象、规律及机制的认知不足,理论体系远未建立而且研究手段受到各种限制.本文基于对HRNWT主要研究手段的介绍,针对HRNWT中的湍流统计量、超大尺度结构(very large scale motions,VLSMs)的尺度和形态以及起源和影响及其与颗粒的相互作用,总结了HRNWT的研究现状和最新进展,特别梳理了近年来本文作者团队在HRNWT特别是高雷诺数颗粒两相壁湍流方面的研究成果,并对HRNWT的进一步研究给出了建议及展望.      

耦合火焰不稳定的爆炸超压预测

基于火焰不稳定和爆炸超压的耦合机制,通过向光滑火焰模型中引入褶皱因子,建立了褶皱火焰模型和湍流火焰模型,对密闭燃烧室内爆炸超压进行理论预测,且对比了绝热压缩和等温压缩对爆炸超压预测的影响规律。结果表明:在增强的流体动力学不稳定作用下,膨胀火焰失稳加剧,且在定容燃烧阶段形成胞状火焰;光滑火焰模型忽略了火焰不稳定,爆炸超压理论预测值比实验值偏低,且等温压缩下超压预测值低于绝热压缩下的预测值;湍流火焰模型高估了火焰褶皱程度,超压预测值远高于实验值;褶皱火焰模型可成功预测丙烷/空气爆炸压力和燃烧室体积V=25.6 m3的甲烷/空气爆炸压力;对于甲烷/空气爆炸,燃烧室体积V≤1.25 m3时,实验压力值介于褶皱火焰模型和绝热光滑火焰模型预测值之间。     

密闭空间可燃气体爆炸超压预测

为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害,对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据,利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型;对比发现,当体积较大时,光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧,导致火焰前锋面表面积大幅增加,且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征,基于分形燃烧理论和相关经验数据,进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型,并与实验所得结果进行了对比。结果表明:当密闭空间体积较大时,利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时,两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%,较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比,误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性,在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。     

HL-2A装置中性束发射光谱 诊断系统的研制与测试

在HL-2A装置上完成了一套32通道束发射诊断系统(BES),可对径向r=12~44cm, 极向-7.5~+7.5cm二维空间范围内的长波长()电子密度扰动信息进行测量,其时间分辨率达到0.5ms,空间分辨率1~2cm。系统由内置于真空室的非对称镜头组、传输光纤、高性能探测器模块以及辅助的冷却和真空设备构成。系统的噪声在低频时(f<100kHz)主要由散粒噪声贡献,在较高频率时由散粒噪声和e噪声共同决定。在典型的HL-2A装置放电模式中,对于200kHz以下的扰动,该系统的信噪比(SNR)均大于3。     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

预点火湍流对正戊烷云雾爆炸参数的影响

以正戊烷云雾为研究对象,进行预点火湍流对云雾爆炸参数影响规律的实验研究。首先通过不同气动压力进行喷雾,获得平均特征直径（SMD）分别为 21.21、14.51 和 8.64 μm 的正戊烷云雾,并得到不同气动压力预点火的湍流均方根速度;随后在 20 L 云雾爆炸参数测量系统中实验获得预点火湍流对正戊烷云雾蒸发速率、爆炸超压峰值、压力上升速率和火焰传播延迟时间的影响。结果表明:(1) 对于圆柱形罐体对称式双喷头分散系统,流场环境可近似认定为零平均速率湍流场;在0.4、0.6和0.8 MPa的气动压力喷雾50 ms的分散作用下,在100～250 ms内,湍流均方根速度在1.0～6.2 m/s范围内,平均湍流积分尺度在40～72 mm范围内,湍流最大湍流尺度的雷诺数在8 000～15 000范围内,柯尔莫哥洛夫微尺度在0.03～0.1 mm范围内;(2) 对于较小的液滴群,随湍流强度的增加,液滴群的蒸发速率有更为明显的提升;(3) 对比云雾三种SMD,粒径8.64 μm的超压峰值与最大压力上升速率随湍流强度增长趋势更显著,并发生爆炸强度显著提升现象,即存在“转变区域”（transition range）现象;(4) 对于SMD在8～22 μm范围内,湍流均方根速度处于1.0～4.0 m/s时为火焰传播延迟时间的低增长阶段,湍流均方根速度处于4.0～6.2 m/s时为火焰传播延迟时间的高增长阶段,湍流强度与火焰传播延迟时间在相应的两个湍流强度阶段范围内呈线性增长。