紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明:低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。

平面槽道湍流壁面脉动压力的特性与机理研究

以平面槽道湍流壁面脉动压力特性以及边界层速度源项对壁面脉动压力的贡献为研究关注点。基于约翰霍普金斯大学湍流数据库中的平面槽道流直接数值模拟数据,利用格林函数求解泊松方程构建边界层速度源项与壁面脉动压力的理论关系,通过傅里叶变换计算壁面脉动压力谱和边界层速度源项分压谱,揭示壁面脉动压力谱的波数-频率域的特性,对比分析边界层不同区域不同源项对壁面脉动压力的贡献。结果表明,壁面压力自功率谱在低频、中频和高频段的形状分别为ω^(2)、ω^(-0.775)和ω^(-5);波数-频率谱中迁移脊在波数130 rad/m、频率120 rad/s区域,揭示湍流涡旋结构迁移速度为0.54倍流速;壁面脉动压力主要由速度场源中平均剪切湍流作用项Pms与湍流-湍流作用项Ptt共同影响,Pms贡献占主导。

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。

平板壁面湍流脉动压力及其波数——频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法(LES)结合动态亚格子涡模型(DSL)与千万量级的精细网格,对平板壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了所采用亚格子涡模型的表达式。其次,描述了Abraham试验中矩形试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。再次,探讨了湍流脉动压力变化规律及其相似律,基于Fourier变换计算得到了湍流脉动压力波数—频率谱,并详细讨论了壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的验证分析,结果表明,计算结果与试验结果吻合良好,计算方法合理可靠,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱的计算研究工作奠定了基础。最后,基于试验和计算结果,比较分析了常用波数—频率谱理论模型,为波数—频率谱的工程应用提供了参考。

壁面涡旋结构与湍流脉动压力的大涡模拟研究

湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对其进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法(LES)结合四种亚格子涡模型与四套网格,对槽道壁面湍流脉动压力进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了常用亚格子涡模型的表达式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。其次,描述了槽道试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式。最后,详细讨论了槽道壁面湍流脉动压力频谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的比较分析,同时分析了涡旋结构与近壁面流速分布,研究了亚格子涡模型与网格数量对计算结果的影响,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其频率-波数谱的计算研究工作奠定了基础。

水下航行体模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试

为了研究水下航行体尾部厚边界层湍流非定常特征,利用轴对称的光体模型及2个尺度不同的大附体模型,在低速风洞中进行模型尾部壁面脉动压力与近壁湍动速度同步测试,并采取相关计算、小波分析等方法作数据处理分析.结果表明:航行体尾壁面脉动压力信号主频成分相对较少,且频率较为固定,反映航行体尾厚边界层流动大尺度相干结构影响;而近壁湍动速度信号反映多种不同尺度的涡作用,且低频信号占据主要的频率成分,同时,随着离壁面距离的增加,湍动速度与壁面脉动压力最大相关系数减小.测试同时考察了不同大附体方案和雷诺数变化对航行体尾湍流特性的影响.

湍流壁面脉动压力场测量技术:传声器阵列

在壁湍流中,壁面压力脉动虽然信号微弱,但包含了湍流中许多旋涡结构运动特征。本文详细介绍了一种传声器阵列测量技术,通过测量壁湍流壁面脉动压力场来快速检测壁湍流场中不同尺度的旋涡结构运动特征。为此,在自行设计的声耦合腔标定装置上对各传声器进行标定得到其幅频-相频响应特性传递函数。实验建立了传声器阵列测量系统,以后台阶湍流作为例,将16个传声器以阵列方式沿流向安装在台阶下游壁面上,对分离再附湍流的壁面脉动压力场进行了同步测量和信号重构。实验结果分析表明:传声器阵列测量技术可以很方便地捕捉到壁湍流中旋涡结构的非定常运动特征。这种传声器阵列脉动压力测量技术在风工程、空气动力学等非定常流动实验研究中有很好的应用价值。

边界层人工转捩的壁面脉动压力特性试验研究

为了研究边界层人工转捩装置上下游的壁面脉动压力功率谱特征,验证边界层人工转捩装置在实现模型载荷相似方面的有效性,并进一步指导绊线及粗糙元的几何与尺寸设计。通过水下航行体缩尺模型的壁面脉动压力测试,测量并对比分析了4种绊线和粗糙元上下游边界层的壁面脉动压力自功率谱。结果表明:绊线和粗糙元下游的壁面脉动压力自功率谱平台区谱级高于上游;相同流速下,绊线下游壁面脉动压力自功率谱平台区谱级与绊线及高度密切相关。中低流速下绊线下游人工转捩边界层可与高流速下平板自然转捩边界层壁面脉动压力自功率谱平台区谱级相当,即绊线明显削弱了壁面脉动压力载荷的尺度效应。

声呐导流罩边界层壁面脉动压力研究进展

舰艇中、高速航行时,声呐导流罩外边界层的壁面受脉动压力激励,引起罩壳结构振动,并向罩壳内辐射噪声。该噪声是声呐平台区自噪声的主要成分。准确描述罩壳外边界层壁面脉动压力特征,是开展声呐导流罩内场自噪声影响评价以及导流罩壳减振降噪设计的基础和依据。首先,介绍壁面脉动压力功率谱的壁压试验法、半经验模型法、数值模拟法的相关进展;针对边界层转捩区的脉动压力功率谱特征,引出缩尺模型试验研究的尺度效应问题。其次,针对壁面脉动压力的尺度效应问题,概述脉动压力功率谱尺度律及其由模型试验到实船应用的发展,并介绍与缩尺模型试验载荷相似的重要手段——人工转捩方法的研究概况。最后,对人工转捩方法在声呐导流罩边界层壁面脉动压力载荷相似性研究中的应用进行展望。

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。

肺腺泡内流动与可入肺颗粒物沉积特性的数值模拟

研究肺腺泡区的三维流动特性、颗粒物沉积对于理解肺部的物质输运过程及治疗呼吸系统疾病具有重要的意义。本文建立了肺腺泡区的三维对称几何模型,并通过引入动肺泡壁条件反映肺部节律收缩/扩张的动力学机制,在此基础上对非稳态呼吸时肺腺泡区的气流特性以及颗粒物沉积特性进行模拟。结果表明:随着位置逐渐下移至末端,肺泡内的流线形态从循环状向放射状变化,且流线形态在呼与吸的半周期内保持不变,颗粒物的沉积率也随肺泡的位置下移而增加。此外,通过与既有二维固定壁模型对比表明,三维模型以及动肺泡壁条件对肺部颗粒物沉积具有重要影响,不可忽略。本文对三维肺腺泡流场和颗粒物沉积的特性研究,将为肺部物质输运以及相关领域的深入研究提供可靠的理论依据。

铜带材气悬浮退火过程中的气体流动与气固传热特征

对气垫炉加热段内0.6 mm厚紫铜板材处理过程中的气体流动和气固传热进行研究,改变板材移动速度和悬浮高度,对气流速度、温度、湍动能的分布及努塞尔数(Nu)进行对比与综合分析,系统地评价板材的处理效果与气垫炉的运行稳定性。研究结果表明:随着板材移动速度增大,板材表面的温度和Nu分布趋于均匀,驻点位置向板材运动方向偏移;Nu的平均值增大,传热效率提高。驻点上游流动分离区内的速度和湍动能均比下游侧的低。板材悬浮高度增大,驻点附近的湍动能下降,而流动分离区的旋涡被拉伸,热传递在流向和展向均被增强;同时,温度和Nu分布更均匀,Nu的平均值增大。

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。

壁面压力传声器阵列测量——后台阶湍流相干结构的相关分析

介绍了湍流边界层壁面压力脉动的传声器阵列测量方法,并采用30个电容式ICP型传声器阵列同步采样测量了低速风洞中后台阶分离再附湍流的壁面压力脉动.压力功率谱和压力脉动系数分布表明,低频大尺度旋涡结构为分离再附湍流流动主要成分.对原始信号进行数字滤波并通过自相关分析,计算得到分离再附湍流中低频大尺度相干结构的相关尺度变化特征和输运速度等参数.

孔腔脉动压力及其波数—频率谱的大涡模拟研究

孔腔流动中包含着流动分离和失稳以及涡旋相互干扰等复杂的流动现象。孔腔涡旋流动引起的流体振荡能够引起脉动压力的显著增加从而产生强烈的噪声,在工程实际中备受关注。湍流脉动压力是流激噪声的重要来源,也是湍流研究中的基础性问题,对其进行数值计算研究是流声耦合领域的重要内容,而湍流脉动压力波数—频率谱的构建更是该领域的技术难点。文章采用大涡模拟方法(LES)对孔腔脉动压力进行了数值模拟,考察了四套网格和四种亚格子应力模型对计算结果的影响,并与试验结果进行比较,验证数值计算方法的可靠性。首先采用大涡模拟方法计算了孔腔的脉动压力,并与中国船舶科学研究中心的空泡水筒试验结果进行对比分析。接着详细地分析孔腔脉动压力,研究亚格子应力模型和网格数量对计算结果的影响。最后,对数值计算得到的脉动压力多元阵列结果进行时间/空间Fourier变换,构建了三维脉动压力波数-频率谱。该文工作对今后流激结构振动噪声的预报和流动控制研究奠定了基础。

基于大涡模拟的抑制孔腔涡旋流动与脉动压力的流动控制方法研究

水下航行体表面一般开有流水孔、通气孔、压载水舱格子板孔等各种孔腔。孔腔流动时常伴随着各类振荡,引起结构的振动和疲劳,还会激发很强的噪声,因而对孔腔流动进行控制非常具有理论和工程实际意义。文章主要探索适用于水动力领域的流动控制方法。首先,在前期工作基础之上,采用大涡模拟方法(LES)对孔腔涡旋流动和速度场进行了数值模拟。其次,在孔腔的前缘开槽进行吹喷、抽吸,采用不同控制参数(控制方式、控制流速、开槽宽度以及开槽位置)计算低水速下孔腔的涡旋流场、脉动压力等,详细地分析各参数的控制效果,选取有效的控制参数,得到有效的控制方案;最后,计算了中高水速控制流动,评估流动控制方案的控制效果。

机翼表面脉动压力的空间和频域特性数值研究

机翼表面脉动压力是大型客机近场噪声的主要来源之一,对其空间和频域分布特性开展研究有重要意义.采用大涡模拟方法对弦长1 m、后掠角45°的无限翼展NLF(2)-0415机翼的绕流场在Re_(C)=2.42×10^(6)的条件下开展了数值研究,分析了不同湍流来流条件及不同流动状态对机翼上表面时均流场及脉动压力声压级和功率谱的影响.计算结果表明:在本文条件下,机翼上表面脉动压力在转捩位置处有明显突增,湍流区声压级比层流区高出约20~30 dB;来流湍流强度对壁面脉动压力的影响主要集中在层流区,湍流区的壁面脉动压力对来流湍流强度变化反应不敏感;层流区脉动压力功率谱整体较低,且随频率的增加衰减较快,而湍流区脉动压力功率谱相比层流区在全频段均提升了约2~3个数量级,且谱级在低频段随频率的变化较小,在高频段则随频率增加以一定斜率下降.

基于壁面模化大涡模拟的SUBOFF壁面脉动压力特性分析

采用壁面模化大涡模拟方法,通过近壁面边界层内层流动的壁面应力模型模化处理以及边界层外层和远场流动直接数值求解,对均匀来流中的SUBOFF潜艇主体模型周围的流动进行数值模拟。分析模型平行中体监测点处的壁面脉动压力特性,获得壁面脉动压力的自功率谱密度曲线。平行中体区域的湍流边界层发展较为充分,不同测点处的脉动压力自功率谱密度变化基本相同,随频率增加而逐渐降低。

基于壁面模化大涡模拟的SUBOFF壁面脉动压力数值研究

该文基于开源计算流体力学平台OpenFOAM,采用壁面模化大涡模拟中的非平衡壁面模型,对雷诺数Re_(L)=1.2×10^(7)(L为艇长)下的SUBOFF艇体绕流问题开展了数值研究。通过Liutex涡识别方法,该文给出了艇体近壁流动的涡结构分布,提取了艇体表面的时均压力系数,与实验数据进行了对比,并在此基础上重点研究了壁面模化大涡模拟对壁面脉动压力的预测,给出了不同区域的壁面脉动压力频率谱、平行中体处流向和周向波数-频率谱。研究结果表明:壁面模化大涡模拟能够准确预测艇体表面时均压力分布;脉动压力预测方面,艇体首部转捩区的压力脉动更为剧烈,脉动压力谱级整体高于充分发展湍流区;从脉动压力流向波数-频率谱中可观察到湍流能量集中的迁移脊,很好地反映了湍流的时空关联特性。