鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究

通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。针对沟槽表面流场的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理,并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。仿真结果表明,沟槽表面与顺流的"反向旋转涡对"相互作用,产生"二次涡",削弱了"反向旋转涡对"的强度,进而抑制了低速条带的形成和发展,从而降低湍流猝发强度,实现湍流减阻。

半圆形随行波表面流场数值仿真及减阻机理分析

对半圆形随行波表面流场进行了数值计算及仿真,通过比较随行波表面相对于平板表面的流场变化,分析了随行波表面的减阻特性,进一步研究了随行波的减阻机理。仿真结果证明了“人工涡”的存在,即在随行波波谷内能够产生二次低速流动漩涡,这些漩涡并没有向外扩散而是在随行波内稳定下来,形成“人工涡”。

水下条纹沟槽表面近壁区流场的数值分析

近年来对于水下条纹沟槽表面减阻的研究多集中在试验方面,理论分析和数值计算进行的却不多。而由于受实验条件的限制,条纹沟槽表面减阻的微观机理也一直没有搞清楚。本文正是通过理论方面的分析和计算来进一步揭示条纹沟槽表面的微观流场。首先基于“第二涡群”论对条纹沟槽表面流场的减阻特性进行了理论分析,阐述了其减阻机理;在此基础上采用B-L两层代数模型,建立了条纹沟槽表面水下流场的简化数学模型;并利用有限差分法对近壁区流场进行了数值计算,首次通过理论计算的方法获得了条纹沟槽表面水下微观流场的速度分布;为以后进一步从理论和实验上研究条纹沟槽减阻特性奠定了重要的基础。

圆柱尾迹影响平板边界层转捩的实验研究

利用氢气泡和染色液流动显示的方法,在水槽中研究了圆柱尾迹对平板边界层转捩的影响。重点讨论圆柱与平板的流向距离和法向距离以及圆柱直径等几何参数对边界层转捩的不同作用,发现平板边界层转捩开始点的位置由尾迹与边界层作用的初始位置决定,这一位置由圆柱与平板的相对几何位置来确定。转捩区长度与边界层内部流体性质、扰动强度等有关,同时也受到圆柱、平板相对几何位置的影响。对转捩区近壁二次涡的产生和演化进行分析,发现尾迹对平板边界层的扰动是通过在近壁面诱导二次涡并影响二次涡的后续运动来体现,二次涡及其演化是边界层转捩位置大为提前的重要原因。

随行波表面减阻降噪机理探索

通过对随行波表面特殊流场的数值模拟研究,探讨了随行波表面存在减阻降噪效果的内在机理。针对随行波表面流场的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网络及其流动参数进行了合理化的处理。模拟结果表明随行波表面存在减阻降噪效果的内在机理在于:随行波表面连续的沟槽结构使得壁面附近的流动在波谷处产生了稳定的二次流,即来流在随行波表面引发形成一排平行人工涡,从而使自由来流在平行人工涡上流动,而不与壳体表面接触,起到了类似"滚柱轴承"的作用,从而达到减阻降噪的目的。对随行波表面流场的模拟研究,对深入揭示其潜在减阻降噪机理具有一定的意义。

低速离心压气机非稳态流和机匣处理的数值分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度,扩大其稳定工作范围。为了验证并分析其扩稳机理,对带沿气流流向槽的低速离心压气机内部进行了全三维数值模拟,将数值计算结果与实验结果进行了比较,并详细对比分析了实壁机匣和机匣处理后离心压气机转子顶部区域流场结构,以及阐述了机匣处理对叶顶间隙泄漏涡和二次流等非稳态三维紊流流动的影响。

新型不同尺寸分布的脊状表面减阻特性研究

针对新型不同尺寸分布V型脊状结构,对其湍流边界层减阻特性进行了研究,根据新型脊状结构形状特殊性的特点,对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化处理,采用雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型计算新型脊状表面的湍流边界层流动和粘性阻力。通过与常见等尺寸脊状表面及光滑面的对比得出,新型脊状表面具有良好的减阻效果,减阻量近15%;新型脊状结构更有利于"二次涡"的形成与发展,而"二次涡"是产生并影响减阻效果的根本原因。

热风炉系统振动管路的流体力学行为分析

管内的一些流体流动行为是引起管路系统振动的重要原因之一。针对钢铁工业高炉热风炉大型设备在运转过程中的振动问题 ,应用流体力学相关理论重点分析了热风炉周围管路结构的流体力学行为 ,指出了弯管中二次流旋涡和收缩扩散管段边界层分离旋涡流动是诱发管路振动的机理 。

65°三角翼亚音速复杂流场计算和数据可视化

提出一种基于非结构混合网格和有限体积法的有效计算策略,对第二期国际涡流试验项目(second international vortex flow experiment,VFE-2)的尖前缘65°三角翼在马赫数0.4,迎角20.3°,雷诺数2×10~6条件下的亚音速复杂流场结构进行数值模拟,重点探讨了基于计算数据进行该类型复杂涡系干扰表面和空间流场关键特征提取和数据可视化问题.通过与相关试验类比,建立了与先进试验流动显示技术相比拟的定性和定量分析方法,为三角翼这类复杂流场结构的精细分析奠定了技术基础.采用上述方法,细致分析了亚音速三角翼的大迎角复杂旋涡流场结构,得到了与试验一致的结论.研究证实:在大迎角条件下,三角翼流动物理复杂,黏性效应耦合严重,只有通过N-S方程计算才能准确地捕捉主涡和二次涡的发展.

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制 I.涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时,大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征。在大气层结比较稳定的情况下,如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流),此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播,甚至于快速向东传播。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次切变,可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式,涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的。涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变,亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致。涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关,它的能量是频散的,其在纬向x方向也存在群速度。在基本流场的风速存在二次切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定;而在基本流场的风速仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定。

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。

涡流空气分级机工艺参数对窄级别产品粒径分布和产率的影响

在建立涡流空气分级机的窄级别实验系统的基础上,为了研究工艺参数对窄级别产品粒径分布和产率的影响,确定了以两级分级机的转笼转速差和第二级分级机的二次风速为实验因素,以产品的粒径分布曲线为实验指标,对涡流空气分级机的窄级别实验系统进行实验。实验结果表明,随着转速差的减小,产品的粒径分布曲线变窄;随着二次风速的增大,产品中的细粉含量减少,粒径分布曲线变窄。进一步研究了窄级别产品的产率、均匀度和转速差的关系。结果表明,窄级别产品的产率随转速差的减小而降低,均匀度随转速差的减小而增加。发现存在一个最佳转速差?n0,在这个转速差?n0下得到的产品能同时满足物料的均匀度和产率的要求。实验结果对窄级别产品的制备具有一定的指导意义。

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。

微型涡流发生器控制压气机叶栅二次流的数值研究

二次流对压气机叶栅的性能有很大影响,为了探究微型涡流发生器(MVG)对于低马赫数来流叶栅的二次流控制情况,以一进口来流Ma<0.1的高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,用数值方法分别对设计攻角(-1°)以及失速攻角(8°)下的流场进行损失分析,并借鉴失速因子对不同组合形式的MVG进行对比。得出在-1°攻角下,大部分MVG具有延缓分离的作用,但都会引起损失增加;在8°攻角下,所有MVG都具有延缓分离、减少损失的作用。损失减少最多的一组VGdvg3达到6.3%,失速系数减小了46%,因此认为MVG对于大分离区域的控制较为有效。MVG主要控制0%~30%叶高方向损失,并且MVG的叶片间距以及安装位置也存在一个最佳范围,不易过大或过小。

基于EMD的幅值归一化涡街流量计信号处理

采用经验模态分解(EMD)方法对涡街信号中混杂的干扰噪声进行滤除,提取出真实的涡街信号。该方法首先将原始信号输至二阶低通滤波器进行幅值归一化,然后将处理后的信号经EMD算法分解成各噪声分量和真实涡街信号分量,进一步通过施密特阈值翻转法统计频率并且判别出真实的涡街信号所在的分量,从而达到提取涡街信号的目的。最后,通过对在线涡街流量信号进行仿真分析,验证了该数字信号处理方法的有效性。

垂直向基流二次切变对梅雨锋中尺度低涡暴雨系统的影响

β中尺度低涡是引发长江中下游地区梅雨锋暴雨的主要中尺度天气系统之一,采用实况统计与数值模拟相结合的方法,对1999—2005年长江中下游地区梅雨期间23个低涡暴雨过程进行分析得出:暴雨一般都发生在中低层低涡南侧的西南急流里,急流的强度和位置直接影响降水落区和强度,低涡所激发的涡旋Rossby波在急流里传播时引发不稳定,产生强降水。根据基本流场风速二次切变理论,进一步研究表明:大部分低涡降水区基本流场都存在二次切变或者非线性切变,而这种情况正是涡旋Rossby波产生的物理根源。当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)>0,且高层200 hPa附近引导气流比较强时,低涡移向东北偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)<0,且中层急流比上下层略强,即U_(ZZ)绝对数值很小,低涡移向东南偏东;当垂直向基流风速二次切变U_(ZZ)<0,且中低层急流相对于高层急流很强的时候,低涡移向西南向;当垂直向基流在中层的急流很强,上下急流不明显时,低涡移向西或西偏北。因此,垂直向基流风速二次切变是影响梅雨锋中尺度低涡路径的关键因子,这一结论对于梅雨期间低涡暴雨落区预报有很好的指示意义。

一次东南路径西南低涡引发广西强降水的湿位涡和二阶湿位涡特征

为加深对西南低涡的移动规律的认识及为降水落区预报提供参考,利用NCEP/NCAR再分析资料、中国自动气象站与CMORPH降水产品融合的降水资料,应用位涡动力学等理论对2008年6月11~13日一次西南低涡引发的广西强降水进行诊断分析。结果表明：西南低涡生成于四川南部（700 h Pa）,其在高原低槽引导下东南移动进入广西,降水主要发生在西南低涡的中东部。强降水的发生发展和湿位涡（MPV）的时空演变有很好的对应关系,强降水区位于对流层低层正压分量MPV1的正负值交界区和斜压分量MPV2的负值区。二阶湿位涡对降水落区有一定的指示作用,当湿位涡梯度增大到一定程度时,二阶湿位涡的水平分布与6h后降水落区分布有较好的对应关系。条件对称不稳定是本次强降水发展增强的一种可能机制。

亚音轴流压气机叶尖微喷气扩稳机理探讨

为了探索叶顶微喷气对轴流压气机的稳定性影响,本文以西北工业大学某高负荷亚音速轴流压气机的孤立转子为研究对象,采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了叶顶微喷气对压气机的扩稳效果和作用机理.研究结果表明,高速喷气降低了转子叶顶载荷,将压气机的流量裕度拓宽了5.6个百分点。相对于原实壁工况,喷气之后在原失稳边界流量上,削弱了由叶尖二次涡所诱导出的流场非定常脉动,而该非定常脉动与突尖形失速先兆的形成密切相关,由此推迟了压气机失稳。且存在临界攻角,随着节流程度增加,当叶顶攻角达到与原实壁工况相对应的失稳攻角后,压气机再度失稳。

热带低层弱涡旋中扰动的快速发展及其向中心传播的特征

台风发生的必要条件是热带低层具有气旋式扰动,从卫星云图和诊断分析看,许多低层涡旋中存在分立的云团或中尺度系统.这些涡旋能否发展成为台风,取决于其中的中尺度波动是否发展集合组成密闭云带.本文利用柱坐标下的两层动力模式,研究了低层弱涡旋中第二类条件不稳定机制驱动下的波动的发展和移动问题.结果表明:热带弱涡旋中的低层基本流垂直切变可以很大地加强波动的不稳定性;波动的相速度和群速度都指向涡旋中心,波动向中心传播,能量向中心频散.实例和数值研究也都表明,低层涡旋中的中尺度扰动会迅速发展并且向中心靠近,促使台风形成.

复合侧壁微结构增强被动微混合的数值模拟研究

受到微结构对局部流场的调控作用的启发,建立了具有复合侧壁微结构的T型被动式微混合器,通过COMSOL数值模拟,分析了具有复合侧壁微结构的被动式微混合器的流场特性与混合效率,研究其在低雷诺数下的分子扩散作用及较高雷诺数下的二次涡旋效应。研究结果表明,对于分子扩散作用,复合微结构使得微通道内流通宽度减小,混合效果较好;对于二次涡旋效应,复合微结构使得微通道内二次涡旋的数量增加,能够有效提升混合效果。基于上述数值分析结果,在0.01≤Re≤50的工况下,采用复合侧壁微结构及最优的几何参数使得微混合器的混合指数达到了85%以上,与内置阻块型微混合器相比,内置复合侧壁微结构型微混合器具有较好的混合效果及较小的压降。