高速平板边界层中定常条带的前缘感受性

来流湍流度较高时,自由流涡波可在边界层内激发流向条带结构,并引起边界层的旁路(bypass)转捩。本文采用调和线性化Navier-Stokes方程(harmonic linearized Navier-Stokes,HLNS)方法模拟平板边界层条带对自由流涡波的前缘感受性,并通过直接数值模拟验证了HLNS方法的可靠性。针对马赫数4.8的高速平板边界层,分析了零频涡波激发定常条带的前缘感受性过程及定常条带的演化规律。研究结果表明,边界层外的自由流涡扰动对边界层条带的发展存在持续的激励作用;对于固定展向波数的自由流涡波,法向波数为0时激发的条带幅值最大;自由流涡波的法向波数在小于临界角度时仅影响条带的幅值,而不影响条带扰动的形函数剖面。随着当地雷诺数的增加,条带的幅值演化和形函数剖面呈现出很好的相似性;当地无量纲展向波数β=0.18时,归一化幅值最大。

考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。

非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

真空吸入式风洞三维非定常流场时空特性

为了给真空吸入式风洞的气动优化设计提供参考,应用空气动力学知识和风洞理论,基于Fluent仿真平台,采用计算流体力学(CFD)有限元体积法求解雷诺时均方程(RANS),研究三维非定常流场的时空特性及其演化规律。通过建立收缩段和真空罐的数学模型,确定其特征参数;应用空气动力学知识,抽象流体的边界条件,构建全尺寸三维流体计算域;采用流体力学数值模拟方法,利用试验验证算法的置信度,并进行数值模拟。结果表明,当真空罐容积为2000 m^(3),真空度为3 kPa时可以较好地模拟悬挂发射装置在空中挂飞和投放瞬间的气动载荷。在试验段流场的核心区,其流场品质较好,可以提供0.80 Ma且至少1 s的稳定流场,满足0.40~0.80 Ma且维持至少500 ms稳定流场的设计要求。该研究结论可以为真空吸入式风洞的设计提供理论基础。

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

尾缘定常吹气对倾转旋翼机翼型气动性能影响

为改善倾转旋翼机气动性能,基于雷诺平均Navier-Stokes方程,采用数值仿真技术研究了尾缘定常吹气控制对倾转旋翼机翼型气动性能的影响。以A821201翼型为基础,系统地讨论了吹气角度、吹气速度和吹气孔宽度等参数对气动力的影响规律。计算结果表明:正角度吹气时,翼型的升力系数和升阻比要小于基础翼型;负角度吹气时,翼型的升力系数和升阻比要大于基础翼型。当吹气角为-45°时,相对于基础翼型,施加尾缘吹气控制后翼型的最大升力系数增加了6.48%,升阻比峰值增加了9.57%。在此基础上,随着吹气速度和吹气孔宽度的增大,翼型的升力系数和升阻比会进一步提升。当吹气速度为60m/s,吹气口宽度0.003C时,8°迎角状态下原来存在于A821201翼型上表面的分离涡完全消失。

混流式水轮机非定常旋涡流动研究

采用standard模型对某水电站水轮机进行全流道三维非定常数值仿真,研究转轮内部叶道涡对尾水涡带成形及演化的影响。通过对两种流量工况下的转轮及尾水管内部流场进行分析,探究并揭示叶道涡和尾水涡带的生长、溃灭及其相互干涉演化机制。研究结果表明,通过对水轮机内部流场的全流道仿真,能直观动态地展示出内部三维涡结构的形成及演变特征,且通过观察转轮内的叶道涡和尾水管内的尾水涡带,能清晰地展现出两者之间的相互干涉过程。因此,该数值模拟对探讨水轮机组的安全运行具有一定的参考价值。

非定常流动对声传播的影响研究

研究了非定常流动对声传播的影响,采用了一般非线性声传播方程,该方程可以看作是Westervelt方程的推广形式.研究采用了流场马赫数较小且声场波动较小的先验条件.为了分析非定常流场对时频声场的影响,本文采用时域有限差分法(FDTD)在二维参数阵列模型下进行了仿真计算.研究结果表明流速大小及方向会在一定程度上影响声传播的非线性效应,从而导致非线性作用下产生的差频信号幅值和方向发生偏移.

跨声速转子机匣孔式非定常抽吸扩稳机理研究

为了研究跨声速转子机匣孔式非定常抽吸的扩稳机理,以Rotor 37为研究对象,针对机匣孔式抽吸方案进行了非定常数值对比研究,探讨了抽吸前后转子总性能和失速裕度的变化规律,详细分析了近失速工况下转子的三维流场结构,建立了相应的动叶通道内涡结构模型;此外,进一步分析了非定常抽吸对叶尖流场非定常特性的影响。结果表明:采用机匣孔式抽吸可实现对叶尖泄漏流的有效控制,在保证转子效率的同时,将近失速工况的转子压比提升2.1%,失速裕度提升6.86%;非定常抽吸使得近失速工况下叶尖泄漏涡的尺寸明显减小,改善了叶尖区域流场的非定常特性,缓解了流场内的二次流流动堵塞,提升了转子叶尖流场的稳定性。

再生冷却结构非定常换热计算研究

给出了一种再生冷却结构非定常换热计算模型,能够支撑超燃冲压发动机再生冷却结构设计和试验研究。对发动机达到热平衡时间和非正规阶段温升时间的计算和测量结果进行了对比分析,计算比较了发动机初始壁面温度分别为300和800 K时达到热平衡的时间。研究表明,建立的再生冷却结构非定常换热计算模型具有一定的适用性,能够用于超燃冲压发动机的传热特性分析。

高空发动机逆向喷流诱导的非定常流动DSMC仿真

逆向发动机常用于对飞行器进行减速或分离。为研究高空稀薄条件下逆向发动机喷流和自由来流的相互作用,构建了由两个逆向喷流和高超声速自由来流相互干扰形成的稀薄流场。通过直接模拟Monte Carlo(direct simulation Monte Carlo,DSMC)仿真发现在稀薄来流条件下会形成大面积相互干扰区,且该干扰区存在严重非定常流动现象。初步分析认为,该干扰区的范围和非定常演化过程与自由来流动能和逆向发动机喷流流量紧密相关。

定常振荡流施肥模式对灌溉管道混合均匀性的影响

【目的】探究柱塞泵提供的定常振荡注肥模式对灌溉管网首部主干管道水肥混合均匀性的影响,寻求不同运行工况下分干管安全布设距离。【方法】采用室内试验与数值仿真相结合的方法,分析相同工况下管道内肥液质量分数,利用数值仿真方法探究温度、管径、主管流量以及注肥比对水肥混合均匀性影响。【结果】室内试验与数值仿真所得出的水肥混合均匀性规律吻合,随着混合距离的增加混合均匀性逐渐增大。其他工况相同时,当主管管径从63mm增大到110mm,有效混合距离平均增加了0.769m;温度从10℃增加到30℃时,主管流量为6、8 m^(3)/h处理的有效混合距离平均下降了0.499 m和1.681 mm;主管流量从6 m^(3)/h增加到8 m^(3)/h时,63、90、110 mm管径处理的有效混合距离平均增加了1.598、1.064、1.132 m;注肥比从2%增加到4%时,63、90、110 mm管径处理的有效混合距离平均减少了0.534、0.824、0.826m。【结论】水肥混合均匀所需的有效混合距离随管径与主管流量的增加而增加,随温度与注肥比的增加而减少;采用63、90、110mm的灌溉主管,分干管的开口位置应距注肥口5~5.5 m处。

红层泥岩剪切蠕变特性及非定常本构模型研究

滇中红层泥岩具有显著的流变特性,会给当地工程建设带来安全隐患。选取狮子山隧洞段的红层泥岩进行分级加载蠕变试验,对其蠕变特性开展研究。结果表明,在较低应力状态下,岩样主要表现为衰减蠕变,而在较高应力状态下,岩样将发生从衰减蠕变、等速蠕变直至加速蠕变破坏的全过程蠕变。对岩样各阶段变形数据进行回归分析,建立拟合方程,发现岩样各阶段变形具有显著的非线性变形特性。根据岩样的非线性变形特性提出了1个指数型加速元件,通过与Bingham体中的黏性元件串联形成改进的Bingham体,使其能克服传统Bingham体模拟加速阶段存在的不足,并同时对Hoek体及Kelvin体进行非线性改进,然后通过将非线性Hoek体、Kelvin体与改进Bingham体串联,建立了1个能够描述滇中红层泥岩蠕变特性的非线性、非定常黏弹塑性岩石蠕变模型。通过与不同剪应力下红层泥岩的蠕变试验曲线进行比较,发现理论模型得到的结果与试验数据吻合较好,表明所建模型对于滇中红层泥岩具有较好的适用性。

半悬挂舵空化及其对非定常力的影响研究

为深入研究空化后半悬挂舵非定常水动力性能的相关规律,采用结构化网格、DES湍流模型和VOF方法对某大型舰船的半悬挂舵空泡进行计算。探讨和分析舵空泡的周期性变化,同时简要分析半悬挂舵的间隙空化及端部空化产生的原因。基于空化和非空化2种状态对3个不同舵角下的舵空泡进行计算,总结了舵横向力、舵轴扭矩等非定常力的规律。结果表明:当空化区域较小时,空化对舵非定常力几乎没有影响,随着空化区域的增大,舵效显著降低;空化发生后,舵非定常力的脉动幅值将急剧增大,且空化区域越大,舵非定常力的脉动幅值越大。该研究结果可为评估空化状态下半悬挂舵的水动力性能及对舵进行优化设计提供技术支撑。

风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG(consistent discretizing random flow generation)方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明:翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后,吸力面上的压力脉动只在低频区域对湍流来流有响应,而高频处的压力脉动取决于自身的流动特性。研究结果可为降低机组功率波动和非定常载荷提供参考。

一种可编程非定常流涡环生成装置的设计和研发

设计了多功能涡环生成装置,该装置采用伺服电机驱动模式,由多轴可编程控制器完成控制工作,同时还设计和编制了相关实验程序。装置采用流动显示技术,通过对流体进行染色,把流体的运动规律直接的展示出来,运用可视化方法研究涡环的结构特征,及其传播过程中速度的变化等特性。

泵喷宽带非定常激振力预报与参数分析

为预报泵喷推进器转子与湍流互作用宽频非定常激振力,在Sears函数的基础上,考虑随机湍流波的影响,推导了螺旋桨宽频非定常激振力预报公式,并与实验值对比验证了该公式。进一步考虑泵喷推进器转子工作在前导叶尾流场的情况,通过Gauss尾流模型建立叶片尾流湍流波数谱,通过经验公式计算叶片尾流场参数。推导得到泵喷推进器转子宽频非定常激振力预报公式,通过公式计算得到的宽频非定常激振力与数值计算结果相近。分析了流场参数的变化对推进器转子宽频辐射噪声预报结果的影响。研究得到,湍流强度只影响宽频非定常激振力预报结果的幅值,湍流积分尺度对幅值和频谱形状都有较大的影响。

真空管道磁浮交通车体热压载荷分布特征及其非定常特性

基于SST κ-ω湍流模型和IDDES方法,采用三维数值模型对800 km/h的真空管道磁浮交通系统在雍塞状态(阻塞比为0.3和0.2)和非雍塞状态(阻塞比为0.1)下进行瞬态模拟,得到列车车体热压载荷时均分布特征及其波动特性,并利用跨声速风洞凸块试验数据验证了数值方法的准确性。基于本征正交分解提取流场重要相干结构,识别列车表面载荷非定常较强区域,揭示其时空演化规律。研究结果表明:列车上表面载荷分布特征与拉瓦尔喷管相似,雍塞/非雍塞状态下载荷分布差异主要位于扩张段;列车下表面载荷分布因悬浮架腔体的截面突变而变得复杂,气流突入到第一个悬浮架腔体形成局部滞止点,造成车体压力大幅度振荡,同时热量在列车底部聚集,尾车下洗气流和上洗气流相互作用差异导致了雍塞/非雍塞状态下温度峰值的位置不同;列车表面压力非定常较强区域主要位于底部悬浮架处,且存在14 Hz的特征频率,雍塞状态下尾车激波处也是一个非定常源;中间车、尾车温度载荷一阶模态体现了热量累积过程。

关于轴流压气机的非定常两代流型

针对作者提出的轴流压气机非定常两代流型———非定常自然流型(UNFT)和非定常耦合流型(UCFT)———概念,本文进行了数值模拟和试验两个方面的验证。从数值模拟结果来看,实现非定常耦合流型后,对应非定常流场的时空结构将由无序状态向有序状态转化,流场的时均性能也能得到较大提高。环形叶栅声激励和PIV测量的实验结果亦证实了这一结论。