基于动网格与UDF技术的阀门流场数值模拟

基于FLUENT软件提供的计算方法和物理模型,利用动网格及UDF(用户自定义函数)技术,对管路系统常见的4种阀门流动进行了动态数值模拟。该数值模拟方法打破了以往静态研究的局限,更真实地模拟了阀门的开关动态过程中的流动状态和阀体受力情况。动态仿真结果表明:随着阀门开度减小,流场变得复杂,出现复杂涡系,损失增加,同时阀门受力变化较大,会导致冲击与振动,对阀体工作精度与结构强度都非常不利,而且阀门开启过程与关闭过程并非简单反过程,尤其对于球阀,启闭过程中其流场特性与受力特点差别很大。

端壁组合射流对高速扩压叶栅损失特性的影响

提出了一种端壁组合射流技术以控制进口马赫数0.67的高速扩压叶栅端区流动。通过前缘射流旋涡可以增强端壁附面层与主流间的流体交换,阻碍横向二次流动,减小角区低能流体堆积;而采用角区射流注入能量能够进一步减弱吸力面侧流动分离。以上组合控制方法可较单独采用前缘或角区射流更有效减小栅内损失,提高其气动性能。当角区射流位于近吸力面侧的分离起始位置附近时,其改善栅内流动的效果最佳;远离吸力面的端壁射流则可抑制端区低能流体横向迁移及其与分离区流体间的相互作用,但其减小损失的效果弱于近吸力面侧的射流。随着射流总压比的增加,组合射流减小损失的效果先增加后减小;过大的总压比会加剧射流与来流间的掺混损失,使得叶栅气动性能恶化。当射流总压比为1.2时,损失减小最大可达12.6%,而射流流量仅相当于叶栅进口流量的0.64%。

不同头型鱼雷入水冲击载荷研究

采用流体体积函数(VOF)多相流模型和动网格技术,开展了不同长短轴比椭球头型鱼雷入水过程及水下航行的动态数值仿真研究,分析了头型对鱼雷入水最大冲击载荷特性的影响,建立了最大冲击载荷和入水动压及头型长短轴比之间的函数关系。仿真结果表明:鱼雷最大冲击力与入水速度的平方成线性增加关系;随着长短轴比的增加,最大冲击力减小,且其相对减小量也随之减小,同时鱼雷在水下航行所受的阻力也会随长短轴比的增加而减小。研究结果可为鱼雷入水弹道和结构设计提供参考。

等离子体影响平板附面层流动的机理研究(英文)

基于Orlov和Corke提出的电场力模型,将等离子体作用力耦合到流动控制方程中,理论分析了等离子体对附面层流动的作用机理和效果,并通过对平板附面层流动的数值模拟验证了理论分析结果。研究表明,等离子体增加了其作用区内壁面附近的压力,绝缘壁面上的压力最大,沿壁面外法线压力梯度为负值;同时等离子体增大附面层内的速度,并诱导出沿壁面内法线方向的流动以及沿流向的顺压力梯度,这将有利于附面层流动分离的控制。随着来流速度的增加,等离子体的作用效果有所减弱,通过提高电极电压来提高电场强度,可以有效的提高其作用效果。

来流特性对高速扩压叶栅端壁射流旋涡的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅上,开展了不同来流附面层厚度和湍流强度对端壁射流旋涡发生器控制效果的影响研究。结果表明,与来流湍流强度相比,进口附面层厚度对栅内流动的影响更大,随着其厚度的增加,栅内二次流动增强,损失增大;来流湍流强度对叶栅气动性能的影响减弱。射流旋涡在较小附面层厚度条件下减小栅内损失的效果随着湍流强度的增加而减弱,甚至会恶化其气动性能;而当附面厚度较大时,射流穿透能力减弱,湍流强度的增大将减小射流旋涡上洗区掺混损失并减缓其下洗侧与吸力面间端壁附面层的发展,叶栅气动性能的提高更加显著。当δ=15%H、T_u=10%时,射流旋涡使得栅内损失减小达8.4%。

缝隙扩压叶栅近壁流场与流动损失实验

为了探索缝隙射流对高负荷扩压叶栅气动性能与近壁流场结构的影响机制,实验研究了设计冲角下有/无缝隙结构的高负荷弯曲扩压叶栅近壁流场结构与出口气动损失分布规律,获得了叶片近壁压力场数据、流动图谱以及叶栅出口流动损失参数。结果表明,缝隙两端压差导致的从叶片压力面到吸力面的射流能够增加附面层高熵流体的能量,缝隙射流将局部积聚的低能流体及时引向主流,减小高熵流体在叶展中部或端区掺混撞击,抑制了栅后尾迹高熵流体的过度聚集,从而有效提高高负荷压气机叶栅气动性能。

激励参数对合成射流控制压气机流动分离的影响

对吸力面施加合成射流激励的高负荷压气机静叶栅展开数值模拟,系统地研究不同激励参数对单缝合成射流改善叶栅气动性能的影响,并探索分段式合成射流控制流动分离的有效性。研究结果表明,单缝合成射流对栅内流动的作用效果主要取决于两个因素:射流切向动量注入带来的气动性能改善与射流输运过程的附加流动损失。单缝合成射流具有较为宽广的有效频率范围,当激励频率等于主流流过叶型的频率且射流满足有效激励动量要求时,对叶栅气动性能的改善效果最佳,总压损失降低约14.26%。分段式合成射流能够较好地适应不同叶高处分离起始点沿轴向变化对最佳流动控制位置的要求,在不增加有效射流面积的前提下可较单缝射流更为有效地控制流动分离,此时的损失降低幅度高达15.84%,从另外一个角度证实了激励位置对于非定常激励的重要性。

不同攻角下端壁射流旋涡控制扩压叶栅分离流动研究

为了研究端壁射流旋涡对扩压叶栅分离流动及性能的影响,采用数值模拟的方法,对不同攻角下带有端壁射流的50°折转角扩压叶栅进行了研究。结果表明:具有最优射流结构的旋涡发生器有效减弱了叶栅角区分离,零攻角下出口总压损失降低了8.9%;随着攻角的上升,射流对扩压叶栅气动性能的改善越显著;射流产生的旋涡可阻挡端壁低能流体向吸力面的迁移,并将主流流体卷入角区,角区流体动量增加、流动分离减弱,但旋涡与端壁二次流的掺混使得10%叶高以下的损失略微增大;射流参数决定了射流旋涡与吸力面的相对位置以及旋涡强度,对射流控制栅内流动分离效果有重大影响,需合理选择。

轴向间隙对压气机时序效应影响之二：截面特性

本文实验研究不同轴向间隙、不同静叶时序角度对某低速轴流压气机出口流场的影响。结果表明,当一级静叶尾迹位于二级静叶流道中央位置时对应压气机最低效率状态;一级静叶尾迹重合或接近于二级静叶尾迹时对应压气机最高效率状态。随着轴向间隙的减小,压气机的扩压能力逐渐增强,通流能力下降。此外,设计工况下压气机输入功率也随轴向间隙的减小而增大。综合考虑轴向间隙对压气机扩压能力、通流能力及输入功率的影响,推测存在一个最佳轴向间隙,使得各项因素达到最优匹配,实现压气机的最佳性能。

端壁合成射流对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

利用端壁合成射流技术对高负荷扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,探讨其改善损失的作用机理及影响因素。研究结果表明,端壁合成射流可以显著提升叶栅气动性能,使总压损失最大降低21.63%,静压升提高5.60%。射流形成的流向射流旋涡通过上洗/下洗作用促进了端壁附面层与主流高速流体间的动量交换,阻碍了通道涡向叶展中部的迁移、削弱其展向影响范围,并通过流向动量注入效应增大了激励缝下游流体的能量,从而推迟流动分离、降低叶栅损失。激励位置和射流角度是影响端壁合成射流作用效果的重要参数,当激励位于角区分离线上游附近且射流角度较小时,流动控制效果最佳。此外,提高射流动量也有助于增强其控制流动分离的能力。

不同来流附面层特性下端壁射流对弯曲叶栅内流场的影响

给定不同型式的来流附面层,采用数值模拟方法,旨在讨论变来流附面层特性下端壁射流式旋涡发生器对于弯曲扩压叶栅内流场的影响。结果表明,对于正弯叶栅,射流可有效减弱其吸力面上的流动分离,随着来流附面层变厚或附面层内总压亏损的增加,原型叶栅角区内的分离范围逐渐增加,因此提供给射流改善流场的空间也相应增大,损失降低程度由2.3%提高到8%。在反弯叶栅当中,射流作用之后,在零附面层来流条件下,角区内的分离范围减小且损失降低了9.1%;随着来流附面层增厚,在分离范围降低的同时,吸力面上的集中脱落涡也相应消失,因而损失降低程度增加到了12.5%。此时,随着来流附面层条件进一步恶化,射流对于流场的作用效果基本保持不变,这说明针对本文给定的射流参数,端壁射流对于反弯叶栅内流场的改善程度已达到极限。

等离子体对大折转角扩压叶栅性能影响的机理

利用熵和耗散函数分析了某大折转角扩压叶栅内的流动及损失特性,探讨了等离子体减小损失的作用机理。结果表明,分离区仅是低能流体聚集区,而非高损失来源区;等离子体影响叶栅流动的机制可归结为,诱导其作用区上游流体加速降压、在其作用区内构造局部顺压力梯度以及增加电极附近的气流速度;等离子体通过减弱流动分离以减小栅内损失,其本质是通过减小吸力面后半部的分离区或低速区以减弱其与主流的剪切强度和减小强剪切作用区,从而减弱该区域内的耗散;等离子作用下吸力面附近气体流速的增加使得尾迹损失减小,而电极表面附近的粘性摩擦损失增加。

壳管式换热器壳侧汽液两相流场三维数值模拟

利用商业软件FLUENT所提供的多相流模型、UDF(用户自定义函数)以及相关的数值方法,对壳管式换热器内部的汽水两相流场进行了数值模拟。结果表明,汽相主要集中在换热器上部,尤其是接近上端封头处壳侧内高温蒸气聚积严重,在顶部高温段加绝热套管后,可显著改善顶部流动,减少高温蒸气集聚,其热流率增加达13.04%,流量增加5.18%,出口蒸气体积分数降低4.34%,换热性能明显提高。研究结果将有助于对壳管式换热器内部流动的认识,并作为设计与结构优化的参考。

被动射流旋涡对高速扩压叶栅气动性能的影响

提出了一种利用压力面与吸力面间压差产生射流旋涡的被动流动控制技术以改善压气机叶栅的气动性能,在进口马赫数Ma=0.67的高速扩压叶栅上验证了其有效性。结果表明,射流旋涡可有效增强吸力面附面层与主流间的能量交换,改变下游壁面涡的结构和尺寸,推迟流动分离,减小角区损失。当射流距分离线或端壁较近时,当地较厚的附面层使得旋涡上洗区的掺混损失增加;而射流距分离线或端壁过远时均会减弱下洗区能量注入对角区低能流体的影响;指向端壁的射流会增加壁面涡强度,而沿远离端壁方向过大的偏角则会减弱射流旋涡强度,从而减弱其控制效果。当射流轴向距叶片前缘xj/cx=40%、沿叶高距端壁h/H=15%、射流偏角β=60°时,其改善栅内流动的效果最佳,总压损失减小可达5.2%,而射流流量仅相当于主流的0.27‰。

锯齿电极等离子体激励器对气膜冷却效率影响的数值研究

为获得锯齿电极等离子体激励器提高气膜冷却效率的机理,对有/无锯齿电极等离子体激励器作用下的平板气膜冷却流场进行了数值研究,并采用唯象模型模拟锯齿电极等离子体激励器对流场所施加的电场力。结果表明,冷却射流在锯齿电极等离子体激励器的下拉诱导作用下对主流的穿透率降低,射流中心轨迹高度的下降幅度沿流向发展逐渐增大;锯齿电极等离子体激励器气动激励作用下气膜孔下游的肾形涡的强度与尺度均减小,同时肾形涡的两侧产生与其旋转方向相反的小尺度的反肾形涡,进一步抑制了肾形涡的发展;锯齿电极等离子体激励器产生的展向扩散效应提高了冷却射流的展向扩张能力,从而提高了气膜冷却效率,与无等离子体气动激励相比,锯齿电极等离子体激励器作用下平板中心线与展向平均气膜冷却效率分别提高了50%与200%。

不同等离子体积力模型诱导流动对比研究

基于不同等离子简化模型,对比研究了5 kV电压下等离子诱导流场。结果表明,由于假定电荷分布依赖于电势分布,模型一导致体积力过大,诱导流场速度最大达6 m/s;模型二中内外电场叠加并根据实验拟合壁面电荷分布,最大诱导速度仅为1 m/s,与实验结果接近;而模型三由于不易选取合理的电场强度分布线性化参数,最大诱导速度达7 m/s,也与实验结果相差较大。

定常等离子体强化气膜冷却效果的数值研究

为获得等离子体气动激励提高气膜冷却效率的物理机制,基于等离子体唯象模型运用大涡模拟方法开展了等离子体控制平板气膜冷却流动的仿真计算,研究了激励器位置和数目对等离子体提高气膜冷却效率的影响。结果表明:激励器越靠近气膜孔出口,冷却射流在等离子体下拉诱导作用下其中心轨迹越贴近壁面,气膜孔出口气流受到的影响越明显,当激励器布置在x/d=0时射流出口最大流向与法向速度增大了10%和3%左右,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了2%,从而削弱了射流迎风面上冷、热气流的掺混以及降低了肾形涡的强度及其抬升射流的能力,使得中心线气膜冷却效率约提高了40%;同单个激励器相比,当采用2个激励器时冷却射流因再次受激励器的下拉诱导与流向加速作用而更加贴近壁面,其向下游延伸的能力进一步增强,同时促使气膜孔下游的大尺度发卡涡破碎成小尺度近壁条带结构而抑制了冷、热气流的掺混,从而平板中心线和展向平均气膜冷却效率分别提高了17%和40%左右;此外,相同激励强度条件下合理分配激励器数目可有效提高等离子体改善气膜冷却效果的性能。

不同攻角下双孔射流旋涡发生器对高速扩压叶栅端区流动的影响

为了探究不同攻角下单孔以及双孔射流旋涡发生器(VGJs)对高速扩压叶栅气动性能的影响和作用机理,采用数值模拟的方法对栅内气动性能参数以及端区流动分布进行了较为详细的分析。数值结果表明:单孔以及同向双孔射流均具有较好的变攻角特性,随着攻角的增加控制效果先显著增加然后略微降低,在2°攻角条件下,VGJs使得总压损失降低最为明显,单孔射流达到11.0%。反向双孔射流的控制效果较差,在-4°攻角条件下甚至出现了3.9%的总压损失增长。采用射流旋涡发生器,射流旋涡(JV)将通道涡分成两部分,靠近吸力面的次生通道涡(PVⅡ)很快汇入角区,端壁展向涡(SV)消失,吸力面分离被推迟,但吸力面上的展向运动显著增强,叶栅通道内的二次流动得到有效控制。

端壁VGJs对高亚音扩压叶栅内分离结构的影响

为揭示栅内射流旋涡发生器(vortex generator jets,VGJs)控制前后叶栅内部流动特性,本文根据拓扑学原理,对某高亚音压气机叶栅通道控制前后分离形态的变化进行了研究,并给出了其拓扑结构及旋涡结构模型,同时对控制前后损失特性变化进行了分析。计算结果表明:端壁射流旋涡发生器改变了流场的分离结构,有效推迟了吸力面侧的分离。加入流动控制后,奇点数目明显减少,端壁附面层横向迁移被有效抑制,通道涡、集中脱落涡被明显削弱,叶展中部的尾缘脱落涡基本消失,端壁损失以及叶型损失变化不大,二次流动损失明显降低,降低了38%。端壁射流旋涡发生器对叶栅中部影响较弱,因此,有必要采取端壁/吸力面组合流动控制进一步改善流场结构。

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.