空化工况下喷水推进泵内涡结构的时空演化

为揭示混流式喷水推进泵在空化工况下内部涡结构的演化情况,在空化数为0.142的工况下使用Ω涡识别方法对其内部涡结构进行识别和研究,在此基础上研究了空化对涡结构特征演化的影响,并分析了1个周期内涡量运输方程各项对涡结构演化的贡献.结果表明:空化工况下,喷水推进泵内部流动复杂,极易产生旋涡,主要的涡结构有叶顶泄漏涡、次级泄漏涡、垂直空化涡和次级泄漏衍生涡;随着三角形空化的坍缩,进口附着涡的涡结构尺度增加,但叶顶泄漏涡因为空泡逐渐增大的缘故涡量逐渐减小;1个周期内,喷水推进泵内空泡尺度较大时,涡结构数量较多,但强度较小.空泡尺度较小时,涡结构尺度较小,强度较大;通过对涡量运输方程进行分解可以发现,拉伸扭曲项的分布与涡量分布具有极高的相似性,压缩膨胀项的量级最高,对垂直空化涡和脱落涡的变化较为敏感,斜压扭矩项在垂直空化涡的发生位置量级较高.

近十年我国涡旋系统的研究进展

近年我国暴雨和强对流等中小尺度灾害性天气频发,涡旋是产生这些灾害天气的重要天气系统之一。为了不断提高对我国涡旋及其产生的暴雨和强对流天气发生发展机理的认识和预报准确率,本文对容易引发长江流域沿线灾害天气的三类涡旋(高原低涡、西南低涡和大别山涡)及对北方地区暴雨、强对流天气有重要影响的东北冷涡、中亚低涡的主要研究成果进行了梳理。主要回顾了近十年这些涡旋的识别方法、时空分布统计特征、三维结构以及产生的暴雨、强对流天气机理。最后,对与涡旋系统以及相关天气的研究与预报中的问题、未来发展方向进行了简要讨论和展望。

风力机叶片尾随涡对涡流发生器流动控制影响机理研究

风力机旋转叶片产生的尾随涡影响叶片表面的流动。涡流发生器(VG)安装在叶片表面,其流动控制作用也必然受到尾随涡的影响。为了探究尾随涡的影响,文章以PhaseⅥ风力机为研究对象,建立与其旋转条件下沿展向环量分布相同的模拟叶片进行数值计算研究。研究结果分别与光滑叶片、加VG翼型段进行比较,发现VG的添加使得吸力面气流流速更大、压力系数(C_(p))值更小,提高了吸、压力面压差。

夏季南海东北部海域生源硫化物的分布特征和释放通量及其对中尺度涡旋的响应

生源硫化物在海洋硫循环中扮演着重要的角色,并对全球气候变化产生重要的影响。本文于2020年7—8月对中国南海东北部进行现场调查,研究了海水中二甲基硫(Dimethylsulfide, DMS)、β-二甲巯基丙酸内盐(β-Dimethylsulfoniopropionate, DMSP)、二甲亚砜(Dimethylsulfoxide, DMSO)的时空分布,并探究了中尺度涡对其分布与产生的影响。结果表明,表层海水中DMS、溶解态DMSP(DMSPd)、颗粒态DMSP(DMSPp)、溶解态DMSO(DMSOd)和颗粒态DMSO(DMSOp)的平均浓度分别为(2.93±2.39)、(2.89±2.11)、(6.56±3.41)、(10.84±7.58)和(7.44±4.88) nmol·L^(-1)。气旋涡控制区域的生源硫化物浓度明显高于反气旋涡控制区,且中尺度涡边缘生源硫化物浓度高于涡内。生源硫化物均与叶绿素a(Chl a)存在较好的相关性,说明浮游植物生物量是影响南海有机硫化物生产分布的重要因素。气团在经过Chl a高值区后,会为南海东北部带来更高的DMS大气混合比。夏季南海DMS海-气通量在0.16~19.88μmol·m^(-2)·d^(-1)之间,平均值为(5.86±6.16)μmol·m^(-2)·d^(-1)。由于气旋涡控制区域具有较高的海水DMS浓度,其海-气通量((5.86±6.16)μmol·m^(-2)·d^(-1))高于反气旋涡控制区域((3.71±4.73)μmol·m^(-2)·d^(-1))与中尺度涡影响区域((4.61±4.77)μmol·m^(-2)·d^(-1)),表明中尺度涡在控制生源硫化物的生产释放过程中发挥重要的作用。

切角措施对串列方柱气动性能影响的大涡模拟研究

串列双方柱的干扰效应受方柱气动外形的影响显著,方柱角部形状的变化将导致周边流场的改变,进而影响上、下游方柱的气动性能,串列双方柱的风荷载干扰效应相关影响及机理还有待进一步研究。本文采用基于空间平均的大涡模拟方法,以亚临界间距比和超临界间距比的串列方柱为对象,分别对上、下游方柱考虑有、无切角(切角率均为10%)两种情况,研究两类典型间距比下不同切角措施对串列方柱风荷载的影响及其机理。将标准串列方柱风压系数与风洞试验结果对比,验证本文模拟方法及参数设置的有效性;从气动力系数统计值及自谱、平均和脉动风压系数分布等角度,对比分析了两种典型间距比下不同切角措施对串列双方柱气动性能的影响,着重从时均和瞬态流场角度进行机理分析。结果表明,两种典型间距比下,不同位置的切角措施均会影响方柱周围流动分离,从而引起流态变化,其中上、下游方柱均采取切角措施,可以更有效地减弱方柱的平均和脉动风荷载。

基于大涡模拟的山区桥址风场及其对桥梁抖振响应的影响

为研究位于复杂山区地形的桥址区风场特性及其对大跨度桥梁抖振响应的影响,以山区某斜拉桥为工程背景,采用大涡模拟方法获取桥址区足量监测点的脉动风场特性;分别以传统谐波合成法模拟的脉动风场、规范建议的C类脉动风场与大涡模拟方法计算得到的脉动风场计算桥梁的抖振力,并对三者进行了抖振响应对比分析;研究了桥址区非均匀风场特性对桥梁抖振响应的影响.研究结果表明:位于山区地形的大跨度桥梁的平均风速、风攻角以及紊流强度等特性沿桥跨呈现明显的非均匀性,紊流强度比、脉动风速谱以及相干函数均与规范建议值不同,反映了规范建议值在复杂山区风场中的适用性有限.采用谐波合成法模拟脉动风场得到的抖振响应相比大涡模拟方法同步监测所得到的脉动风场下抖振响应偏不安全,采用规范建议谱模拟风场所得的抖振响应相较于大涡模拟方法所得的抖振响应在竖向位移结果上偏不安全,但侧向位移和扭转位移结果上却偏于保守.非均匀风速对主梁竖向、侧向及扭转抖振响应影响较大,而非均匀风攻角对主梁扭转响应也有一定影响.非均匀风速来流下,跨中竖向和侧向抖振响应谱明显高于均匀风速来流的,而跨中扭转抖振响应谱与均匀风速来流相比差距并不明显.

考虑气动力跨向振幅依存性和相关性的桥梁涡振响应分析

为研究非线性气动力跨向振幅依存性和跨向相关性对桥梁涡振响应的影响,首先,引入由振幅多项式表达的桥梁非线性气动力模型;其次,在二维涡振分析方法的基础上,通过理论分析提出同时考虑气动力的跨向振幅依存性和跨向相关性的三维涡振振幅响应分析方法;最后,以主跨1700m的大跨度悬索桥为例,通过风洞实验识别其主梁在不同风攻角下的竖向涡振非线性气动力参数,进而分析不同风攻角下一阶正对称竖弯模态下的涡振振幅响应.研究结果表明:当气动力沿跨向完全相关时,在气动力跨向振幅依存性的影响下,三维分析方法得到的各风速涡振响应明显大于二维分析,约大19%;当气动力沿跨向不完全相关时,三维分析的涡振振幅响应比不考虑相关性时降低明显,其中大部分风速下的降低范围为16%~30%,个别风速下约降低70%;证明了考虑气动力跨向不完全相关性和跨向振幅依存性对准确预测大跨度桥梁涡振响应的重要性;本文提出的分析方法对于扭转涡振及高阶模态下涡振分析同样适用.

涡轴发动机前支架断裂故障分析

涡轴发动机作为为直升机飞行提供功率输出的一种动力装置,其工作状态的稳定性直接影响着直升机的使用性能。发动机安装支架作为发动机的固定装置,主要起着将发动机安全可靠地固定在直升机动力平台上,并传递发动机所施加的惯性载荷的作用。发动机在直升机上的安装形式主要分为两种类型:刚性安装和弹性隔振安装。刚性安装较为简单,容易满足抗坠毁设计要求,但对振动水平的控制有一定的难度;弹性安装有利于改善直升机的振动,降低直升机的振动水平,但会带来附加的安装问题,因为减振材料允许发动机相对于直升机机体作相对位移,因此必须考虑发动机与进气、排气等系统结构支撑部位相协调的弹性安装问题。通常,对于安装定轴式涡轮轴发动机的直升机,对抗冲击和隔振要求更高,宜采用弹性隔振安装;而对于安装自由涡轮轴发动机的直升机,应确定直升机、传动系统的振动频率与发动机的振动频率是否比较接近,如果接近,就要考虑隔振措施,否则,可考虑刚性安装方式。当然,这还取决于直升机和发动机的具体要求及振动控制水平,取决于满足安装设计要求的最佳综合。

基于LES模型的箱涵式进水流道水中消涡装置分析

为解决某泵站箱涵式进水流道内部水涡问题,以该泵站箱涵式进水流道为研究对象,基于LES模型,求解5种不同消涡方案对应的箱涵式进水流道内部水涡时空演变过程,定量对比喇叭口处旋涡中心平均涡量变化。结果表明:采用流线型消涡锥和后消涡板方案箱涵式进水流道消涡的效果最佳,相比原方案旋涡涡心的平均涡量降低96.53%,喇叭管进口面的轴向速度分布均匀度为95.7%,速度加权平均角为86.4°,消涡效果较好。

四川凉山州西南低涡型暖区暴雨的统计特征

利用凉山州近10年4—10月的降水资料、常规地面观测、高空观测、ERA5再分析资料和FY-2G卫星TBB资料,对四川省凉山州西南低涡型区域性暖区暴雨进行统计分析和天气学分析。结果表明:(1)凉山州西南低涡型暖区暴雨的发生频率在年际变化上呈波动趋势,2016年和2022年发生频率最高,2017年最低;暴雨主要发生在夏季(6—8月),其中7月发生的频率最高;暴雨具有短时强降水特征,强降水常出现在傍晚到夜间,白天降水强度减弱。(2)暴雨发生在高能高湿的不稳定层结中,其水汽主要来源于孟加拉湾。(3)影响凉山州的西南低涡主要生成于川西高原南部到凉山州西北部,少数生成于四川盆地西南部到凉山州西北部,极少数生成于攀西地区西南部,故川西高原南部是凉山州西南低涡型暖区暴雨对流云团的主要发源地。(4)西南低涡暴雨对流云团常由块状和带状混合影响,影响范围广;暴雨区常出现在低涡中心或外围东南侧,降水成片集中。

两次不同生命史东移高原涡的动力结构与成因分析

利用NCEP再分析资料对2008年6月25-27日和2013年6月4-10日两次东移出高原的高原涡过程进行结构特征和演变机制的诊断分析,探讨两次长、短路径高原涡过程的结构特征和造成不同生命史的影响因子。结果表明:(1)路径短的扎多涡活动过程中,南亚高压呈扁平状,高空急流偏南,高原涡处在下滑槽中移出高原;路径长的曲麻莱涡活动过程中,南亚高压有些北拱,高原涡处在南亚高压脊前西北气流下空,副高偏南,高原涡随低槽东移加强,并伴有西南涡东移。(2)两次高原涡过程结构特征差异明显,主要表现在扎多涡在高原上增强时、曲麻莱涡与西南涡耦合及之后再度加强时的结构特征,前者低涡处在600~350 hPa较深厚的正涡度、上升运动层内,还具有对流层高层强辐散的结构特征;后者具有对流层高、中、低层正涡度贯通、对流层内为上升运动、对流层低层辐合,对流层高层弱辐散的结构特征,其中对流层低层由整个对流层内为最强正涡度,演变为整个对流层内为最强正涡度、最强上升运动、最强辐合。(3)总涡度收支诊断表明,散度项变化对低涡总涡度变率变化起决定性作用。扎多涡的强度变化与散度项变化一致。曲麻莱涡在与西南涡伴行过程中,垂直输送项、水平平流项的影响在加强。(4)涡中心区500 hPa正涡度变率的收支分析看出,高原涡在没有西南涡活动时,对高原涡的500 hPa正涡度变率贡献的主要是涡度辐合造成的;在有西南涡活动时,随着与西南涡垂直方向叠合、伴行,正涡度垂直输送显得更加重要。

水泵水轮机尾水管压力脉动特性及涡带特性分析

抽蓄电站是电网的重要组成部分,水泵水轮机长时间偏离最优工况运行会导致水力不稳定问题,其中,尾水管涡带和压力脉动问题备受关注,严重影响机组安全稳定运行。以水泵水轮机为研究对象,分析了其尾水管内流特性与压力脉动时频特性。对比了两种第二代和两种第三代涡识别方法对尾水管涡带演化过程的可视化效果,Omega-Liutex涡识别方法对阈值依赖性小且对涡带形态的识别更清晰完备,因此,采用Omega-Liutex涡识别方法研究了不同负荷工况下尾水管涡带的瞬态变化特性。研究结果可以为水泵水轮机稳定运行提供一定的理论参考。

涡流恢复导叶对螺旋桨气动和声学性能影响研究

为了对比安装涡流恢复导叶与单排螺旋桨气动性能和气动噪声的差异,采用数值模拟的方法研究了安装六种不同间距涡流恢复导叶和单排螺旋桨的气动力及气动噪声。研究结果表明:在起飞状态,级间距Δx=0.27的工况下,安装涡流恢复导叶使得推力系数增加6.4%,效率增加6.7%。随着间距的增大,前级叶片的桨尖涡、尾迹涡等涡系结构在通过后级叶片时破碎并向下游传播,且强度逐渐减小。噪声强度随着级间距的增加而逐渐减小,最大级间距涡流恢复导叶的噪声与最小级间距涡流恢复导叶噪声相比降低5.7 dB,噪声下降幅度随级间距的增加逐渐减缓,存在级间距最优位置使得推力增加最大,噪声强度适中。

空气涡轮火箭发动机燃烧室异形尾缘波瓣混合器掺混、燃烧特性研究

为了促进空气涡轮火箭发动机(ATR)燃烧室内涵富燃燃气与外涵空气之间的掺混,提高燃烧室燃烧效率,本文通过对波瓣进行尾缘修形设计,探究C形尾缘结构对波瓣下游流动及燃烧特性的影响规律。研究发现:(1)在波瓣混合器尾缘增加C形结构,会诱导产生多源副涡结构;(2)径向高度越高,径向速度梯度越大,造成副流向涡和副展向涡的强度和尺度越大;(3)由于受到C形尾缘结构诱导的副流向涡和副展向涡的影响,燃烧室展向截面温度分布出现“串状”局部高温区,燃烧得到强化;(4)当燃烧室距离与波瓣直径<1时,内、外涵气流掺混强烈,热混合效率、燃烧效率以及总压损失迅速增大;(5) C形尾缘结构数量与燃烧效率不成单调递增关系,当C形结构数量≤2时,副涡强化掺混起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而增大;当C形结构数量≥3时,出口面积增大导致的涡量衰减起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而减小。

基于旋涡漂移假设的流线型闭口箱梁竖向涡振机理研究

旋涡脱落和漂移是桥梁涡振发生的关键流场特征,有必要从涡动力学的角度揭示涡振机理。以典型流线型闭口箱梁为例,从气动力做功能量角度,构建简化涡模型,并结合基于风洞试验的断面表面气动力时频特征和基于数值模拟方法的断面周围流场特性,揭示流线型闭口箱梁多阶涡振机理,验证上述模型。研究表明:分离涡斯托罗哈数表征旋涡气动力做功能量特征,其可表达为旋涡漂移速度与来流风速比值的正整数倍,即同一分离点可对应多个涡振锁定区。流线型箱梁断面存在3阶竖向涡振锁定区,其中,第2阶和第3阶涡振锁定区均由来流经过断面前缘附属设施时产生的大尺度旋涡,在分离点至断面尾缘之间发生周期性漂移诱导与维系。在第2和第3阶涡振锁定区内分离涡分别耗费约2个和1个振动周期完成从分离点至截面尾缘的漂移,即二者分别由该分离点诱发的2阶和1阶简化涡模式主导。该研究验证了简化涡方法推演桥梁断面周围旋涡演变特性的合理性。

位涡源汇和位涡环流及其天气气候意义

在扼要回顾地表位涡研究进展的基础上,本文介绍了复杂地形下的位涡及位涡制造的计算及近年来关于位涡源汇和位涡环流(PVC)的研究进展,侧重介绍青藏高原表层位涡的特殊性及其对天气气候的重要影响。阐明对于绝热和无摩擦大气运动,由于位涡本身的结构重组(位涡重构)可以引起垂直涡度的发展,在夏季可以激发高原涡形成,冬季使青藏高原东部成为重要的表面涡源。基于导得的包括非绝热加热作用的、与等熵面的位移相联系的垂直运动(ωID)方程,进一步阐明青藏高原制造的正位涡沿西风气流东传会引起下游地区低空气旋性涡度、偏南风、和上升运动发展,导致位涡平流随高度增加,激发极端天气气候事件发生发展。指出青藏高原地表加热和云底的潜热释放的日变化显著地影响着地表层位涡的日变化,导致青藏高原的低涡降水系统多在午后至夜间发生发展。证明与传统的青藏高原感热加热指数相比,青藏高原地表层位涡指数能够更好地刻画关于降水的季节变化,与亚洲夏季风降水相关更密切。本文还简单介绍了PVC的概念。指出由于区域边界面的PVC的辐散辐合的变化直接与区域位涡的变化相关联,为保持北半球位涡总量的相对稳定,跨赤道面上的PVC变化与地表PVC的变化必须相互补充,因此跨赤道面上的位涡环流的变化可以成为监测近地表气候变化的窗口。近赤道的海气相互作用能够直接造成沿赤道垂直面上的纬向风垂直切变的变化,激发跨赤道位涡环流异常,从而通过大气内部PVC的变化和青藏高原的调控影响北半球近地表的气候变化。结果表明位涡环流分析为建立热带和热带外大气环流变化的联系开辟了新的蹊径,有着广阔的应用前景。

机翼翼尖涡与平尾翼尖涡的相互作用研究

飞机尾涡的发展与同跑道降落后机的飞行安全及机场起降效率密切相关。尾涡近场特性主要决定了着陆阶段飞机的尾涡强度。以A320飞机简化缩比模型为研究对象,在1 m×1 m低速水洞中开展了尾涡近场形态流动显示实验。研究结果表明:平尾涡在拖出过程中围绕翼尖涡旋转,不同流向站位的旋转角速度存在差异。对比模拟结果发现:平尾涡绕翼尖涡的旋转角速度与实验结果基本吻合,说明不同雷诺数下涡对发展在相对位置旋转角速度特性方面具有一定相似性。

2012-2017年不同涡源西南低涡多发的影响因素分析

利用NCEP/FNL 1°×1°再分析资料、地面观测资料、高空探测资料和西南低涡年鉴,通过分析2012—2017年不同涡源西南低涡的活动情况,对九龙涡、盆地涡、小金涡生成时间最多月份的各低涡生成前与生成时的风场、其它物理特性合成场进行合成分析与对比分析,得出了环境风场、冷暖空气与锋生作用对九龙涡、盆地涡与小金涡生成的影响。结果表明:(1)3—6月是西南涡生成与移出涡源的多发时段,西南涡中以九龙涡为主,盆地涡次之,小金涡易移出涡源。(2)九龙涡、小金涡的生成与偏南气流流入各自涡区的开口地形有关,但小金涡流入的气流比九龙涡强,盆地涡生成与切变线有关。(3)九龙涡、小金涡的生成还受高原背风坡地面加热与西南气流影响,与暖平流区内有正的非热成风涡度有关,但九龙涡所处的暖平流区范围比小金涡的大,强度远不如小金涡,盆地涡的生成与涡区内有斜压性增强有关。(4)九龙涡、小金涡、盆地涡的生成与各自涡区内锋生强度增强有关,但各自影响锋生作用的因素不同,小金涡的生成主要受非绝热变化过程影响的锋生作用,九龙涡的生成受非绝热变化过程影响为主,以及水平、垂直运动共同影响的锋生作用,盆地涡的生成受垂直运动影响为主,以及非绝热变化过程共同影响的锋生作用。

带有运动抑制装置的圆筒型FPSO的涡激运动分析

针对具有圆形截面的结构物易引发涡激运动这一问题,应用CFD方法模拟不同折合速度条件下带有运动抑制装置的圆筒型FPSO的涡激运动响应。分析结果发现,在折合速度为5~6时,圆筒型FPSO的涡激运动频率与纵荡、横荡运动的固有频率相近,出现了显著的涡激锁定现象,运动响应增大;当折合速度超过锁定区范围后,涡激运动响应幅值会有明显的减小,且横向的运动响应谱存在2个频率响应。对比不同流速下浮体在横向及顺流向的运动结果发现,带有运动抑制装置的圆筒型FPSO涡激运动的轨迹为类“8”字型。

基于Omega涡识别方法的径流式水涡轮尾水管涡带特性

为了研究水涡轮尾水管的涡带特性与Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,对比了Q准则和λ_(2)准则以及Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,并基于Omega方法和降维的Omega方法分析了不同工况下尾水管的涡带特性.结果表明:对于径流式水涡轮,通过合理调整阈值,Q准则和λ_(2)准则以及Omega涡识别方法均能识别到清晰合理的尾水管涡结构,而Omega方法阈值选取区间较小且具有不敏感性;水涡轮尾水管在小流量工况时会出现较长的涡带,不利于机械的稳定性.同时运用二维Omega涡识别方法与拟涡能指标,在不同工况下对尾水管各监测面进行定量分析,确定涡量浓度高的区域,研究尾水管的能量耗散规律.结果发现,尾水管进水口到弯管之间的区域涡量浓度最高,能量耗散最大,流态最不稳定,这可为该型式水涡轮的结构优化提供理论参考与数据支撑.