雷诺数对不同展弦比下长平板绕流湍流特性影响的实验研究

利用粒子图像测速(PIV)实验研究了不同展弦比下,雷诺数对长平板绕流的影响。雷诺数为:Re=500、800、1000,平板板长L与厚度D的比值为L/D,L/D=3、6。实验结果表明,展弦比L/D=3时,流体从平板前缘分离后重新附着在平板尾缘处。展弦比L/D=3和6时,平板上方再附着长度及平板后的回流区长度会随着雷诺数的增大而增大,展弦比为6时,雷诺数对板上分离泡的影响较小。雷诺数和展弦比会影响流场的湍流特性。展弦比L/D=3时,雷诺数的增加会导致平板两侧的脉动强度增加,而板后的脉动强度减弱;随着展弦比L/D增加,流场的湍流脉动强度减小。同时随着雷诺数的增加,流场中的小尺度涡结构增加。

中等Reynolds数平板绕流的动理论分析

郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作,许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据,本文的动理论分析和计算表明:Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(0.16<M<0.21)获得的实验数据,当Reynolds数(Re)介于1和10之间时,由于稀薄气体效应显著(所对应的Knudsen数约在0.03和0.3之间),不宜作为不可压缩理论解的依据,而其它满足不可压缩假设的实验数据都支持郭永怀解;计及稀薄气体效应时,低速或亚声速情况下平板绕流的阻力系数C_D=C_(D,c)×C_(D,FM)/(C_(D,c)+C_(D,FM)),其中C_(D,c)和C_(D,FM)分别为连续介质和自由分子流极限情况下的理论解;平板绕流速度分布的郭永怀解,与基于动理论的信息保存方法(IP)的数值解定性相符,差别表现在稀薄气体效应显著的前缘;与速度分布的Blasius解相比,当Re<100时,郭永怀修正变得重要。

超声速气体平板绕流的直接数值模拟

为了模拟超声速气体平板绕流真实状态.采用直接数值模拟方法,计算连续方程、含有黏度项的纳维-斯托克斯方程和能量方程,联立完全气体状态等其他基本方程,运用二阶精度的差分格式进行离散,得到了不同马赫数时气体的速度、压力、密度和温度的分布状态.结果表明:由于气体黏度的存在,气流以超声速流过平板时,靠近平板位置的速度小于流入平板的速度,压力整体大于远离平板位置的压力;且在平板上产生激波,随着马赫数的增大,产生激波的范围越来越小.直接数值模拟所求模型的精度优于其他方法.

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme(GKS)数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。

新的守恒积分在绕流问题中的应用

众所周知,研究物体在理想流体中的受力时,一般都是应用布拉休斯定理计算而获得。本文运用了一种新的守恒积分即具有路径无关性的积分对椭圆柱绕流和有环量平板绕流问题进行理论研究。此方法的要点为:首先,对椭圆柱绕流复势函数、有环量平板绕流流复势函数进行一阶求导;然后将一阶导数的平方代入守恒积分当中;再调整积分中的共形映射函数ζ(z),利用复变函数复合闭路定理计算得出流体对物体的作用力以及其他的物理量作用。研究结果表明,新的守恒积分能很好的应用于此类绕流问题的理论计算,使其计算过程得到简化。同时,对比传统的布拉修斯定理积分,新的守恒积分能计算得出更多的守恒量,而这些守恒量对于研究物体在流场中的绕流问题有着重要的意义。

悬板区流场测试分析

通过悬板分层式引水渠首所谓皮卡洛夫堰（即皮氏堰）及流线堰两种不同堰型水力要素的测试，分析了两种堰型悬板上下层分流量、流速分布、水面线及流态，在此基础上对两种悬板缘头型式作了分析比较。

岩石类材料压缩断裂路径的流体力学模拟

根据不可压缩粘性流体的稳态速度场与平衡条件下弹性固体的位移场之间的对应性原理,推导了以流函数表示的弹性固体应力场公式,并证明了流线与主应力迹线之间的等效关系。利用茹柯夫斯基变换,给出了平板绕流问题的流函数解,并以此为基础,预测了岩石类材料压缩断裂路径的扩展规律,取得了与实验观察相一致的结果。

横掠椭圆管的换热及流动特性分析

利用隐式有限差分法,对横掠不同轴径比a/b情况下的椭圆管换热及流动特性进行了研究。得到了边界层内速度分布和边界层厚度发展状况。讨论了a/b对边界层分离点的影响。得到了不同管型椭圆管的局部对流换热分布规律,并与圆管和平板绕流进行了比较。

具有挡板的管流中Karman涡街的并行格子Boltzmann模拟

本文应用格子Boltzmann方法对具有挡板二维管道中的Karman涡街进行了数值模拟,采用并行计算模式得到了在不同雷诺数不同时间步的情况下的涡线图,计算结果较好地再现了已有的数值结果。

DSMC/EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合,构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流,并将结果与DSMC算法的结果进行比较,证明了DSMC/EPSM混合算法的有效性,同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。

考虑转动能的一维/二维Boltzmann-Rykov模型方程数值算法

研究考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程,基于转动自由度对气体分子速度分布函数矩积分,引入约化速度分布函数,应用离散速度坐标法与数值积分技术,将气体运动论模型方程化为在离散速度坐标点处关于三个约化速度分布函数的联立方程组.应用拓展计算流体力学有限差分方法,数值计算考虑转动自由度的双原子气体一维、二维Boltzmann模型方程,得到高、低Knudsen数一维激波管内流动和二维竖直平板绕流问题的流场,分析验证考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程全流域统一算法求解一维/二维气体流动问题的可靠性.结果表明,气体稀薄程度与分子内自由度对流场具有较大影响,且Knudsen数较高的稀薄气体流动呈现严重的非平衡流动特点.

竹蜻蜓飞行过程仿真计算及优化

竹蜻蜓的飞行原理和过程与直升机有着很多相似之处。该文建立了竹蜻蜓桨叶全攻角范围的升阻力理论公式,研究了竹蜻蜓竖直方向的飞行过程,优化了竹蜻蜓桨叶的长度和安装角度。优化目标分别取为最长滞空时间和最大飞行高度,这两种目标所得到的桨叶安装角差别很大,而桨叶长度差别很小。因此桨叶的安装角需要根据不同的目的来选取,而桨叶的设计值基本可以预先确定。

浸没边界-格子玻尔兹曼方法的GPU并行加速

为了高效地模拟大规模三维流固耦合问题,提出了一种在GPU平台上并行加速浸没边界-格子玻尔兹曼(immersed boundary-lattice Boltzmann,IB-LB)耦合方法的策略。为了验证准确性和加速效果,计算了不同攻角下的三维平板绕流问题,得到了与实验结果吻合良好的升力和阻力系数随攻角的变化规律,并发现GPU内核函数的性能均受制于带宽,且其带宽利用率均达到70%。为了展示计算能力,模拟了中等雷诺数下三维拍动平板的绕流问题,证明所提方法和加速策略在模拟大规模复杂流固耦合问题上的有效性。

网格因素对格子Boltzmann方法误差的影响

基于外推法的思想,提出了格子Boltzmann方法中的误差计算方法.该方法在粗细两种网格下,采用Filippova提出的分布函数耦合方法推导出误差的计算公式,其主要误差项与格子大小和分布函数中的非平衡态部分成正比.最后用垂直平板障碍绕流作为一个数值计算实例,验证了理论推导与数值试验结果是一致的.

旋转纸牌轨迹的近似理论计算

从刚体力学和空气动力学的角度,对2020年国际青年物理学家锦标赛的第17题“玩纸牌(Playing Card)”进行了理论分析和一定的实验验证,计算出了一个水平扔出旋转纸牌的轨迹方程,并通过参数分析讨论了纸牌运动的一些规律.研究发现,影响纸牌运动的主要力是下表面的空气阻力,它一方面导致了纸牌的进动,一方面通过进动产生了三个方向的分力,从而影响了纸牌的轨迹.本文最后通过自主设计的纸牌发射器验证了理论的合理性.

可控参量对水面仿生矢量推进器性能影响

针对两栖平台水陆差异式推进机构复杂、水上航速低的问题,首先,基于蛇怪蜥蜴脚掌运动学规律,研究矢量推进器的仿生机理,设计新型水面平台和两栖平台,样机试验达到了推进器气穴式推进以及平台10.6°攻角滑水航行的仿生效果.然后,结合ЦАГИ方法,开展了水面平台滑水航行动力学分析,进一步建立了平板旋转绕流模型,在单叶片力学特性和推进器合成分析的基础上,得到了驱动输出对应的最优轮轴高度以及航速与转速协同变化对驱动性能的影响,并进行了试验验证.结果表明:由单叶片三维驱动可推导推进器的周期性输出;轮轴从水面开始升高,托举力和转矩振幅先增大后减小,推力振幅单调递减,三维驱动输出峰值对应不同轮轴高度;推力和转矩整体随航速增加而减小,随转速增加而增大,托举力的变化趋势不同.

基于非线性耦合本构关系的改进边界条件

非线性耦合本构关系(NCCR)模型是在Eu的广义流体动力学方程(GHE)基础上,通过绝热假设、Eu封闭和Myong简化推导出的关于非守恒量(黏性应力与热流)的非线性代数方程,有效拓展了线性的纳维-斯托克斯-傅里叶(NSF)本构模型在非平衡流动中的模拟能力,为快速准确模拟连续与稀薄耦合流动问题提供了强有力的理论工具。针对该模型开展滑移边界条件研究,结合努森层内物理量非线性分布的特点,提出一套在物面处与模型精度相一致的非线性修正滑移边界条件。在有限体积框架下,采用AUSMPW+格式和LU-SGS方法以及NCCR的完整耦合求解算法,对不同稀薄程度的高超声速单原子氩气圆柱绕流和平板绕流问题进行数值模拟。研究结果表明,基于NCCR模型的修正边界条件准确刻画出物面努森层内流动的非线性特点,有效提高了固壁滑移边界的精度。采用非线性修正边界的NCCR模型准确预测了连续流、滑移流和过渡流域的物面压力、摩阻与热流系数。

耦合粒子图像测速误差的连续伴随数据同化技术

提出了一种耦合粒子图像测速(PIV)实验误差的连续伴随数据同化算法,通过优化目标损失函数,增强算法在不同误差场景下的鲁棒性。为了验证该算法的有效性,先对已知PIV流场植入合成误差进行同化对比测试,继而对PIV互相关算法不同参数设置所获得的流场进行同化研究。结果表明:相比于原连续伴随数据同化,耦合PIV实验误差的同化算法能够对实验观测数据去伪存真,抗误差干扰能力明显提升,鲁棒性更强,能够对高误差场景下的流动数据进行更好地同化,准确地预测流场的真实分布规律,还原流场细节。