平板液相横流中气体射流的多尺度旋涡结构分析

为了研究平板液相横流中气体射流形态非稳态演化及流场中旋涡结构的多尺度演化过程,基于两步投影法和VOF界面捕捉方法,结合高分辨率网格策略,建立了平板液相横流中气体射流的高精度数值模拟方法.研究结果表明:平板液相横流中气体射流的演化过程可以分为射流气泡初步形成、射流气液界面失稳和射流气泡充分发展3个典型阶段.在Kelvin-Helmholtz不稳定性的诱导下,气液界面发生形变并逐渐失稳产生破碎,导致射流形态由大尺度连续气泡逐渐转变为小尺度离散气泡.平板液相横流中气体射流的涡系结构主要包括射流内部和气液界面的反旋转涡对、近壁面和射流界面的剪切层涡以及通气孔前缘的马蹄涡.各种旋涡结构在流场不同发展阶段扮演不同的作用,并相互作用导致了射流气泡演变过程的复杂多尺度流动.

应用PIV进行二维后向台阶流流动特性的研究(1)二维后向台阶流的旋涡结构的研究

利用PIV技术,对二维后向台阶定常流的瞬态速度场进行了测量,得到层流至湍流情况下定常流流场中旋涡的生成、发展和演化的现象和规律。本文分析了各种情况下旋涡结构特点、讨论了与时均流场和自由剪切层的区别,还给出了二维后向台阶流的拓扑结构。

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。

具有叶顶间隙的涡轮正弯叶栅流场的拓扑与旋涡结构

为进一步揭示在具有间隙的涡轮叶栅中叶片正弯降低泄漏损失的机理，采用微型束状与球头五孔测针详细测量了直叶栅和正弯叶栅间隙内和诸横截面流场中的气动参数，并对壁面（包括上、下端壁和叶片表面）进行了墨迹显示。根据测量与显示结果，应用拓扑学原理分析了壁面与横截面流动的拓扑结构，推测出叶栅内流场的旋涡结构。分析结果表明，在直叶栅中存在着七条分离线与七大集中涡系，它们分别为上端壁叶顶进口吸力边与压力边马蹄涡、泄漏涡、二次涡、下端壁进口边马蹄涡和上、下通道涡。与直叶栅比较，叶片正弯明显减少了壁面与横截面流场中奇点的数量，消除了上通道涡，并使叶顶吸力边的二次涡分离流动由闭式分离转变为开式分离。

平面涡轮叶栅内旋涡结构的试验研究

选择3种典型的平面涡轮叶栅,叶型折转角分别为68o、113o和160o,通过对其内部流场进行详细测量和流动分析,讨论叶型折转角对出口涡量分布、气流角分布以及流动损失的影响,并获得3种典型叶栅的旋涡模型。结果表明,在平面涡轮叶栅中存在着复杂的旋涡结构,而且对于不同的叶型折转角,旋涡模型也不同:随着叶型折转角的增加,流场中通道涡的强度不断增强,其位置也不断向叶片中部移动;受其影响,尾缘涡在整个流场中的地位则随着叶型折转角的增加而逐步降低。旋涡结构的变化会引起叶栅出口的气流角、密流和损失分布的明显差别,可以通过控制旋涡结构来重新组织流场。因此,认识叶栅内旋涡结构的基本特征可以为气动优化策略的选择提供依据。

正弯涡轮叶栅内旋涡结构的数值模拟

对某型涡轮正弯及直叶栅流场进行了三维粘性求解。给出了马蹄涡及通道涡的详细演化过程。通过对弯直叶栅两类流场拓扑结构上的差异分析，指出与直叶栅相比采用合适的弯角后正弯叶栅有利于形成稳定的通道涡，并且在相当大的轴向弦长范围内保持着这种稳定的涡结构。

横流中有限宽窄缝射流的旋涡结构

本文应用PIV流动显示技术详细测量了有限宽度窄缝射流从底部射入横流的流场结构。在此基础上采用湍流数学模型及相应的混合有限分析方法,得到横流中有限宽窄缝射流的时均及瞬态流场、涡量场,以此来分析流场、涡量场特性,揭示各种具有拟序结构性质的复杂涡系的产生、发展及演化过程。实验观察到射流迎、背流剪切涡层卷起形成类开尔文涡列。本文还探讨了横流绕流分离旋涡的生成机理及其转向。另外,观测到射流喷口上游的马蹄涡系以及射流逆流区下游尾迹区旋涡的层状结构形式。通过拓扑分析的方法,给出了横流中有限宽窄缝射流旋涡近区流场的拓扑性质。

三维超声速隔离段湍流内流场旋涡结构的数值模拟

从基于雷诺平均的N S方程出发 ,采用有限体积方法离散控制方程 ,数值模拟了三维超声速隔离段湍流内流场。计算中采用了二阶OC TVD差分格式、LU隐式算法和Baldwin Lomax代数湍流模型。数值结果与实验做了对比 ,并结合隔离段中的激波串结构分析了其横截面上旋涡结构的发展过程及不同外形条件下旋涡的不同结构。计算结果表明采用本文发展的方法模拟隔离段湍流流场是可行的 。

涡轮平面叶栅设计工况下旋涡结构分析

为了揭示涡轮流道内旋涡结构的空间演化规律,本文采用数值模拟方法对某型涡轮平面叶栅内部流场进行了详细的拓扑分析。首先,利用已有的平面叶栅吹风实验结果对数值模拟结果做了详细的校核,对比结果表明实验结果和数值模拟结果在叶栅气动性能的变化趋势上保持一致,因此用数值模拟结果来定性分析叶栅旋涡结构具有可行性。通过对叶栅流道内部和出口若干个截面上的二次流流线的分析,建立起该涡轮平面叶栅流道旋涡结构,结果表明该叶栅旋涡结构呈上下对称分布,共存在六个旋涡,即上、下马蹄涡、上、下通道涡、上、下集中脱落涡。最终,通过建立叶栅三维定常旋涡结构,明确了叶栅流场内旋涡演化规律。

连续流态下轴向叶片旋涡结构真空抽气特性的CFD模拟

为了提高轴向叶片旋涡结构的真空抽气性能,用计算流体力学(CFD)方法对轴向叶片旋涡结构在连续流态下的真空抽气特性进行模拟,研究了转速、温度、入口质量流量、出口压强、叶片与定子间隙等参数对轴向叶片旋涡结构抽气性能的影响。研究结果表明:压缩比随转速增大而增大,随温度、入口质量流量、间隙增大而减小,受出口压强影响较小;多级轴向叶片旋涡结构与高真空抽气结构串联,可以获得高真空。

高负荷扩压叶栅三维定常旋涡结构建模研究（英文）

为进一步认识高负荷扩压叶栅内的流动机理和旋涡演变规律,采用经试验校核的数值方法,以具有60°折转角的NACA65-010叶型为研究对象,运用拓扑分析理论,探讨了叶栅流道内马蹄涡、通道涡、集中脱落涡和壁角涡等二次旋涡的生成、演绎与发展。分析认为,在高负荷扩压叶栅中,对流场影响最大的涡系结构为通道涡,通道涡在130%B截面转变为稳定的内旋结构,流道内的壁角涡由通道涡诱导形成,而出口角涡则是在叶片尾缘出口绕流与通道涡的综合作用下形成的,流场出口最终呈现出通道涡与集中脱落涡并存的稳定结构。最后给出了0°冲角下的三维旋涡结构示意图。

旋涡结构的湍流统计理论

旋涡结构的湍流统计理论是已故周培源教授在20世纪50年代率先提出来的.经过他和他的学生近半个世纪的努力,己经形成具有自身特色的湍流统计理论.在纪念周培源教授诞辰100周年的时候,特贡献本文作为对一代宗师的怀念.本文是这个理论的一个总结和概括,其中包括:作为湍流元的旋涡结构解的寻找,可能存在的不同旋涡结构解的类别和叠加,统计平均方法的选取和操作,统计平均物理量的规律的探索等.

后加载叶型叶栅的拓扑与旋涡结构

在不同来流条件下对具有后部加载叶型的环形静叶栅的壁面采用墨迹显示技术,依靠拓扑学中相关的判别准则并结合空气动力学中的基本概念和基本规律,对流动显示图片进行了分析,给出了本文所研究的涡轮叶栅壁面和两个典型横截面的拓扑结构,并由此描绘了该叶栅内的二次流旋涡结构,为同类叶栅的研究提供了参考。

具有后部加载叶型的环形静叶栅的旋涡结构

为了详细研究具有后部加载叶型的环形静叶栅的流场结构,在环形叶栅低速风洞上对具有后部加载叶型的环形弯曲叶片静叶栅上、下端壁以及叶片型面进行了墨迹显示实验,同时应用拓扑学原理分析了叶栅的壁面流谱,并据此分析提出了本实验叶栅的二次流动的拓扑示意图。

非对称附面层抽吸对高负荷扩压叶栅旋涡结构的影响

为了改善高负荷扩压叶栅流道内旋涡结构,达到降低流动损失,提高气动性能的目的。本文借助实验校核CFD方法,对某高负荷扩压叶片进行了非对称孔式附面层抽吸。使用Q准则作为本次旋涡判定的准则,并对原型及抽吸方案的损失和涡量场进行了分析,并对其建立了旋涡结构模型。在原型方案中,由通道涡与集中脱落涡的掺混形成的角区损失占出口损失的主要部分,采用非对称抽吸后,抽吸侧内角区损失有明显的减弱,但非抽吸侧的损失沿展向和周向迅速扩展。

具有叶顶间隙叶栅的拓扑与旋涡结构及其对损失的影响

详细测量了叶栅前、后和栅内诸横截面以及间隙中分面上的气流参数，对壁面（包括叶片表面和上、下端壁壁面）流场进行了墨迹显示。应用拓扑学原理分析了测量与显示结果，得出常规直叶栅和正、反弯叶栅壁面流场的拓扑结构及相应叶栅内流场的旋涡结构。通过这３种叶栅分析结果的对比，揭示了正弯叶片降低漏气损失的机理。

旋涡星系中恒星形成对旋涡结构的影响

本文利用N体数值模拟方法,讨论了旋涡星系中恒星形成对旋涡结构的维持作用。在假定恒星是在一定密度区域中形成以及恒星诞生率为1.0M_⊙/年的情况下,模拟结果表明,旋涡图象的维持时间是未考虑恒星形成模型的2.3倍。

气液两相流体涡街中旋涡结构的特性研究

以水－空气两相流体为工质，研究了垂直向上两相流体横向冲刷准三角柱时的涡街特性及涡街结构．试验段管子内直径为５０ｍｍ，水流量为２５．８～１４ｍ３／ｈ，截面含气率为０．０２～０．３０．得出了两相流体中涡街频率、水流量、截面含气率三者之间的关系．

在不同叶顶间隙下涡轮叶栅的拓扑与旋涡结构(英文)

应用拓扑原理分析了叶顶相对间隙为 0 .0 2 3和 0 0 36的涡轮直叶栅和正、反弯叶栅的壁面流谱 ,发现在两种间隙下同类叶栅的拓扑与旋涡结构在叶顶和吸力面壁角明显不同 。

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。