北京地区低层大气流动模态研究

用风场诊断方法和实际观测资料对北京地区低层大气的背景流动情况进行分析 ,获取当地流动时空演变的总体型式或模态。所获初步结果表明 ,该地区大气流动总体分为秋冬型和春夏型。秋冬型更多受强天气系统的影响 ,春夏型则更多表现出局地中尺度热力环流特征。中尺度环流是该地区低层大气流动的基本模态 ,春夏季和秋冬季弱系统条件下的区域流动大体按这种模态演变。秋冬季大风天气的流动受地形的动力扰动作用明显 ,扰动表现为水平涡旋形态 ,其影响范围包括北京城区及西北部山地。

超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动数值模拟

塔里木盆地克拉苏气田白垩系气藏是罕见的超深层裂缝性致密砂岩气藏,该类气藏的储渗空间具有显著的多尺度特征,基质与多尺度裂缝、断层介质的渗透率级差相差5~6个数量级,常规渗流理论难以准确描述其流动规律和开发机理。为此,基于单裂缝流动物理实验结果及流体力学理论,结合多尺度裂缝几何信息,应用均化理论和体积平均尺度升级方法,将多尺度介质划分为5个流动系统,建立了考虑介质间的非稳态窜流多尺度耦合流动数学模型,并应用有限体积法对耦合流动模型进行了数值求解和数值试井分析。研究结果表明:(1)不同尺度裂缝中具有不同的流动特征,随缝宽增加流速加快,流动模态发生变化;(2)多尺度耦合流动模型与双重介质模型结果存在较大差异,导数曲线具有不同趋势特征;(3)应用所建立的多尺度耦合流动模型成功解释了气藏实际试井数据,模型能够反映实际地层中的流动过程。结论认为,超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动模型揭示了多尺度裂缝以及致密基质间逐级动用、协同供气的开发机理,可为类似气藏制订合理开发技术政策及气藏提高采收率提供理论和技术支撑。

关键构型参数对流动聚焦式微流控液滴生成的影响

流动聚焦式液滴微流控技术借助流动聚焦效应和离散相液丝界面失稳,实现单分散微液滴的连续生成.该技术中的多相界面流动对于构型参数有较强的依赖性,表现出丰富的微尺度流动特征.本研究在前期发展的基于毛细管可变几何微流控装置的基础上,采用数值模拟方法研究关键参数对于液滴生成模态和尺寸的影响规律.经过合理简化后,研究建立实验装置的轴对称模型,并结合自适应网格加密技术,提高了数值模拟效率;通过多个实验工况的对比,验证了数值模拟的准确性.研究发现:在所选择的流体组合、几何和流量参数范围内,液滴生成过程存在滴流、串滴、射流和不稳定4个模态;在固定的离散相和连续相流量组合下,上游和下游毛细管端部间距的变化会改变滴流和串滴模态下液滴的长度,而对射流模态下液滴的大小影响很小;在固定的几何参数下流量变化时,液滴长度的变化在滴流和串滴模态转换时基本连续,而在射流模态发生时产生骤降;下游毛细管的内径对模态相图影响显著,大内径下滴流模态占主导,且射流模态下液丝的射流长度变化明显,而小内径下射流模态占主导,且在大的连续相流量下存在不稳定模态.研究结果表明关键结构参数对于流动聚焦式微流控液滴的生成有重要影响,合理改变这些参数可以控制液滴尺寸和改善液滴的单分散性,可为设计和优化流动聚焦式液滴生成装置提供依据.

低真空管道列车关键气动问题研究进展

低真空管道列车系统结合应用了管道运输和磁浮推进技术,是一种颇具潜力的未来地面高速交通方式。列车在极狭长的管道空间内长距离往返,通常诱发以管内壅塞现象为主导的大尺度跨声速流动和多车干扰,导致气动阻力急剧增加和气动热环境恶化,从而面临突出的空气动力学问题。本文从管道全场和列车近场两个视角出发,对管道列车流动特征进行了总结,并对近年来国内外该领域气动力/热/噪声研究的进展进行了梳理。在此基础上,围绕管道列车全线多车运行热点问题,对运行速度、管道阻塞比、发车间隔、运行模式的选取进行了讨论。最后,展望了低真空管道列车气动研究领域未来发展方向,指出高效研究方法、多车运行流动干扰、多车运行气动热、长大管道气动噪声、减阻/降热/降噪技术等是今后需要重点研究的领域。

逆向喷流技术在高超声速飞行器上的应用

高阻力和强烈的气动加热是高超声速飞行器气动设计研究中遇到的两个主要问题。作为一种主动流动控制技术,逆向喷流因其在减阻防热方面的良好效果日益成为研究热点。本文围绕逆向喷流技术在不同外形飞行器上的应用,梳理了其技术发展情况,包括逆向喷流的压比、质量流率以及冷却剂等关键参数的研究,逆向喷流可有效应用于高速再入体的防热,钝头体和升力体的减阻。对其自身表现出的典型物理现象,如流动模态转换、自激振荡的机理进行了详细分析,同时介绍了作者所在研究团队在逆向喷流技术应用于高超声速飞行器上所取得的研究成果,包括飞行器升阻比的提升效果以及滑翔状态下逆向喷流的周期性振荡特性,为此技术在未来的进一步工程化应用提供一定参考及借鉴。

超声速冲击射流的PIV实验研究

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器(SVTOL)等航空航天领域,然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题,笔者采用PIV(粒子图像测速)技术对超声速冲击射流的流场结构和涡结构进行了深入研究。实验发现在不同的冲击工况下,冲击射流流场结构呈轴对称和螺旋结构,其瞬时流场的主涡结构也有类似特征,脉动流场在瞬时流场主涡结构的基础上会附加与主涡旋转方向相反的次涡结构,在对称和螺旋两种模态下,由于涡结构的影响,冲击射流的近壁速度存在较强的脉动。

高速冲击射流中的涡结构和冲击单音

冲击射流广泛应用于短距、垂直起降飞行器(STOVL)等航空航天领域,然而却伴随着流场与噪声等诸多方面的问题,需要深入研究其流动特性和噪声机理,特别是二者之间的关联。采用PIV(粒子图像测速)技术对高速冲击射流的流场结构和涡结构进行深入研究,探讨流场与声场的相关性,发现冲击单音的存在与否及强弱与涡结构的存在与否及强弱大小相对应,且冲击单音随压比、冲击距离、喷嘴唇厚等参数变化的规律也与涡结构与这些因素的变化规律相一致,因此涡结构和冲击单音具有很强的相关性;并且螺旋模态与对称模态对应不同频率的冲击单音,在同一工况下可能存在两种流动模态共存的情况,此时冲击单音也具有多频率特性。因此抑制大尺度涡结构的发展是降低冲击单音的重要环节,可为冲击射流的降噪研究奠定涡声理论基础。

永磁-感应子式混合励磁电机转子油摩损耗

以充油运行永磁-感应子式混合励磁电机为对象,对电机转子油摩损耗进行了研究。根据电机结构特点,将电机中光滑转子与齿槽转子分开考虑,采用不同方法分别计算两部分的油摩损耗。基于流体力学理论,采用流体场数值计算方法,重点分析齿槽转子油摩损耗的影响因素,得到了油摩损耗与电机转速和定子内径的数值关系,揭示了温度对转子油摩损耗的影响规律。样机实验结果与计算结果基本一致,验证了计算方法的有效性。

钝体逆向喷流减阻降温数值模拟

采用基于SST湍流模型的N-S方程的CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法开展逆向喷流技术对超声速钝体减阻降温影响的研究。首先验证了文中采用的数值方法的可靠性,在此基础上对喷流质量流量变化及喷口尺寸变化对钝体产生的减阻降温效果的影响进行数值仿真及详细分析。计算结果显示:流场中可出现三种流动模态,即长射流穿透模态、振荡模态和短射流穿透模态;增大质量流量,阻力减小,热流减小;增大喷口直径,阻力减小,热流减小。文中的研究对钝体减阻降温技术在工程上的应用具有一定的参考价值。

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。

液体中心式气液同轴离心式喷嘴火焰振荡特性

气液同轴离心式喷嘴在特定的结构和工况下极易发生自激振荡,为了探究自激振荡对燃烧过程的影响,针对液体中心式气液同轴离心式喷嘴,开展了氧气和酒精的可视化燃烧试验研究。基于非接触光学观测方法同步获得了喷雾与火焰的动态结构,研究了缩进长度及喷注工况对火焰的动态特性、自激振荡特性以及燃烧效率的影响。研究发现,随着喷嘴缩进长度的增加,火焰从稳态转变为自激振荡状态。稳态燃烧时,火焰具有明显的锥形分布特征,火焰主要分布于锥形液膜表面、喷嘴出口回流区以及喷雾与燃烧室壁面的撞击区域。对于振荡火焰,当缩进长度较小时,火焰附着于喷注面板上且主要发生径向振荡;而当缩进长度增大到一定程度后,火焰周期性地附着并远离喷注面板且由纵向振荡主导。火焰振荡模式的转变是由自激振荡喷雾结构的变化引起的。基于已建立的理论分析模型,深入分析了火焰自激振荡与缩进室内部流动模态的关系。火焰振荡与喷雾自激振荡强弱同步,且当缩进室内部流动处于临界流动状态时最强。此外,研究发现,稳态燃烧时的燃烧效率大于振荡燃烧状态下的燃烧效率,喷嘴缩进可适当提高燃烧效率。

跨声速嗡鸣诱发机理及其失稳参数研究

跨声速嗡鸣问题是现代飞行器设计和使用过程中的拦路虎,会造成操纵面的损坏或严重变形。目前嗡鸣研究的局限在于缺乏预测嗡鸣触发参数范围的有效方法,难以指导工程实践。本文通过基于ROM的气动弹性分析模型和CFD/CSD时域仿真方法,研究了三种类型嗡鸣的触发条件及其参数的物理意义。相关结果表明,三种嗡鸣本质都是亚稳定的流动模态和结构模态耦合诱发结构失稳。降阶模型进一步揭示嗡鸣的触发要求流动的稳定裕量足够低(往往在抖振边界附近),同时结构频率在开环伯德图的零极点频率之间。该研究有助于对嗡鸣物理更深入的理解以及提出新的嗡鸣抑制方法。

起落架开舱构型自激振荡预测公式改进与分析

起落架开舱构型的流动模态产生自激振荡,造成舒适性和安全性问题;深入研究该流动模态和自激振荡机理是解决这一问题的关键。本文采用延迟脱体涡模拟(DDES)对起落架开舱构型的流动特性和气动特性进行了分析。结合Rossiter公式与涡声耦合闭环反馈机制,提出了一种适用于起落架舱的自激振荡频率预测公式的修正方法,能够将舱体前后壁面不等高、前缘弧面整流以及起落架的影响考虑在内;并且通过功率谱主频比对验证了修正公式的有效性。此外,引入动力学模态分解(DMD)方法分析自激振荡机理;分析结果显示,随着模态数增大,壁面压强响应逐步从舱体后缘向前缘发展。