考虑叶片造型的压气机流动稳定性模型研究进展

压气机实际稳定裕度是否达到指标直接决定了发动机是否可以投入使用.目前的压气机气动设计体系中缺乏一种高效、准确的评估失稳边界的工具,导致在设计定型后依然存在实际稳定裕度不足的风险.因此迫切需要发展快速可靠的压气机稳定性预测工具以供设计阶段使用.现代航空压气机叶片的气动设计朝着三维精细化方向发展,如何在设计阶段考虑叶片三维造型的变化对稳定性的影响愈发关键.传统的激盘/半激盘模型难以精细捕捉到三维叶片造型对流动稳定性的影响,而非定常数值模拟方法对计算资源的消耗在压气机设计阶段难以承受.为了在精细考虑叶片造型影响的同时提高计算效率,为气动设计阶段提供稳定性评估工具,本团队首先在2013年提出了叶轮机流动稳定性通用理论,通过分布式叶片力源项建模考虑复杂叶片造型的影响,通过系统特征值描述流动稳定性.继而针对不同的预测目标和应用条件,发展了3种简化模型:子午面模型、流线模型和径向展开模型.其中子午面模型能够准确刻画叶尖间隙、叶片掠和叶片加载方式等关键设计参数对流动稳定性的影响,为设计阶段提供了一种可靠的失稳边界预测工具;流线模型可以快速评估展向各条流线系统的流动稳定性,并定量地给出流动稳定性最为薄弱的区域,从而有针对性地指导叶片扩稳设计;径向展开模型可以快速地预测离心压气机的流动失稳点,定量评估离心压气机流动稳定性.以上模型可以应用于压气机气动设计体系,为设计定型的压气机提供了可靠的稳定性评估方法,为压气机气动/稳定性一体化设计提供了技术储备.

水下回转体首部边界层流动稳定性及自然转捩研究进展综述

水下回转体首部边界层自然转捩是重要的流动现象,与水下航行体的流动噪声密切相关。流动稳定性理论是研究边界层转捩的重要方法。本文首先介绍了水下回转体首部边界层流动稳定性研究的4个发展阶段;其次介绍了自然转捩的预测方法,包括经验和半经验两类;然后介绍了转捩位置控制常用方法,包括改变首部线型、使用超疏水材料、控制壁面温度和在表面加入抽吸;最后基于当前的研究进展,对水下回转体首部边界层转捩研究提出了建议。

小型反应堆自然循环流动稳定性分析

以最佳估算程序RELAP5为分析工具,针对某一小型反应堆进行建模和数值计算,在此基础上开展对该小型反应堆自然循环流动稳定性分析。研究表明堆芯功率和慢化剂反应性反馈对一回路自然循环流动稳定性有影响;系统在高功率运行时具有较高稳定性;绝对值较大的慢化剂反应性反馈下,瞬态流量响应出现超调的现象。堆芯出口(上升段)过冷度过低的停堆保护信号,可以有效避免该小型反应堆在设计范围内出现自然循环流动不稳定性。

蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性

为便于数值分析,蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流−二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同,但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制,这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑.文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究,侧面揭示其湍流结构的异同.通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法,建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法,并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法.蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加,其中线性部分使得两壁产生流速差,非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长.水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似,由3条曲线、4个波段合成,但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同,所有短波段的扰动流速近似于KH涡.蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性.偏角幅值越大扰动增长越快;蜿蜒波数的影响则为先增后减,有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数.扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成,波包只有纵向流速分量,包络线由蜿蜒波数控制,波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.

复合叶轮对部分流泵流动稳定性的影响

为探究小流量工况下复合叶轮对部分流泵流动稳定性的影响,基于CFD技术对部分流泵在全流量工况下进行了数值计算。采用能量梯度理论分别对采用传统叶轮和复合叶轮的部分流泵计算结果进行处理,主要对0.1Q_(d)工况下部分流泵的叶轮及蜗壳内的流动进行深入研究。结果表明:在小流量工况下,相比传统叶轮,采用复合叶轮的部分流泵对叶轮流道内的轴向漩涡控制效果更好,环形蜗壳内二次流现象得以改善,叶轮的能量梯度函数分布更均匀,且在喉部喷嘴及叶轮出口处的分布面积更小。

西北工业大学科研人员提出新的流动稳定性时空转换公式

边界层转捩问题是流体力学中的研究热点和难点,对于飞行器减阻和热防护设计都至关重要。西北工业大学航空学院白俊强教授团队青年教师徐家宽及其合作者日前在流动稳定性时空转换公式的研究中取得重要进展,相关研究成果在流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》发表。

剪切波状液膜流动稳定性研究

剪切波状液膜作为一种重要的液膜流动形式,因受界面剪切力的影响,其水动力学特性和流动稳定特征与自由降膜流动明显不同。基于边界层模型,在考虑完整的边界条件下,采用积分法和线性化理论,推导了沿倾斜壁面下降的二维剪切液膜表面波线性稳定性方程,方程中包含界面剪切力、雷诺数、波数和倾角的影响。研究表明,剪切液膜流动存在3种状态,由界面剪切力和重力分量gsinθ决定;正向剪切力促使流动稳定性减弱;反向剪切力在小雷诺数时使稳定性减弱,大雷诺数时使稳定性增强;随倾角增加,重力稳定分量的作用减弱,不稳定分量的作用增强,液膜流动趋于不稳定。

航空压气机流动稳定性预测研究进展

在航空压气机设计阶段,对其稳定裕度进行快速、准确评估,防患于未然,具有迫切需求和重要意义。首先评述了现有的压气机流动稳定性理论预测方法,并重点就近期发展起来的叶轮机流动稳定性通用理论做了系统的介绍。随后,汇总了叶轮机流动稳定性通用理论在亚声速、跨声速轴流压气机以及亚声速离心压气机等不同机型上的应用,从现有算例来看,该理论有能力对不同类型的压气机失速起始点做出准确的预测。进一步,综述了基于叶轮机流动稳定性通用理论所开展的针对压缩性、叶尖间隙以及三维叶片造型等因素的参数化研究工作。研究结果表明,该理论在定性层面上能够捕捉到这些因素的影响,然而,这些预测结果定量上尚未得到实验的验证,需要进一步开展相应的实验研究。目前,叶轮机流动稳定性通用理论只在单级或单转子压气机上得到应用,对于多级压气机,还需要在定常流场的计算方法、大规模矩阵特征值求解等方面开展更加深入的研究。

流动稳定性弱非线性理论中的问题及其改进

流动稳定性弱非线性理论存在三个主要问题:(1)其摄动参数收敛半径太小且无具体估值;(2)其解有特定结构,一般不能满足很多实际问题的初始条件;(3)当其线性部分不是中性时,Landau系数的确定法不唯一,不知何者应是最好的方法。本文以平面Poiseuille流为例,从理论上解决了问题(1)和(2),并提出了改进办法。又通过将理论和数值模拟结果相比较的方法,澄清了问题(3)。改进了的理论,将可解决许多实际问题。

气流雾化问题中的流动稳定性研究

运用流动稳定性理论研究气流雾化的机理问题并与有关实验进行比较,证明了界面波失稳引起的不稳定波增长是喷射雾化中液滴形成的主要原因· 另外本文还研究了液滴粒径随各参数的变化规律,理论和实验的结果在一定程度上是符合的。

微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题

在忽略其他微尺度效应的前提下,讨论了粘性修正对微尺度间距平行平板间流动稳定性的影响.考虑到固壁对流体分子的作用力可导致流体表现粘性变化,假定流体表现粘性系数为距壁面距离的函数.结果显示,粘性系数修正在一定条件下可使平均流出现拐点,导致流动失稳,临界雷诺数降低,流动更易失稳.

高阶谱元区域分解算法及其在流动稳定性中的应用

以无时间分裂误差的区域分解Stokes谱元算法为基础构建整体稳定性分析方法.用Jacobian-free的Inexact-Newton-Krylov算法求解不可压缩Navier-Stokes方程的定常解,将Stokes算法的时间推进步作为Newton迭代的预处理,在此基础上采用Arnoldi方法计算大规模特征值问题,对复杂流动进行稳定性分析,该方法能统一处理定常和非定常计算,没有时间分裂误差,无需显式构造Jacobian矩阵,可以减少内存使用,降低计算量,并加速迭代收敛.对有分析解的Kovasznay流动的计算表明,高阶谱元法具有指数收敛的谱精度.对亚临界方腔对称驱动流的各种定常解的计算及其稳定性分析验证了方法的可行性.

气液界面剪切力对液膜流动稳定性的影响

沿倾斜壁面下降的薄液膜表面受气流剪切力的影响将产生波动,液膜表面的波动特性和力平衡关系决定液膜流动特性和稳定性。基于边界层理论和积分法建立的二维剪切液膜表面波线性稳定性方程,分析了不同情况下剪切力对液膜稳定性的影响。研究表明,正向剪切力为不稳定性因素,反向剪切力为稳定性因素;正向剪切力使临界波数、扰动增长率和波速增大,使临界雷诺数减小;反向剪切力则起相反的作用;与反向剪切力相比,正向剪切力对液膜稳定性的影响相对显著;长波的传播速度受剪切力的影响比短波更大。

低速翼型绕流的多模态耦合与流动稳定性研究

采用非线性动力学理论对翼型绕流的多模态耦合机制进行研究,并阐释模态耦合作用与流动稳定性的关系。通过特征线有限元方法对翼型绕流问题进行数值计算,建立非定常流场数据库。为了分析流动稳定性和流动特征,利用本征正交分解提取流场中的特征模态,从而分析翼型绕流非定常流场的特征模态之间的相互作用关系,并给出了非线性流体动力系统中的不同模态作用与流动稳定性的关系。

高超声速流动稳定性及转捩工程应用若干研究进展

流动稳定性及转捩是高超声速流动研究的热点和难点,近年来在理论基础研究方面取得了很大进展,但在工程应用方面还存在明显的不足。本文回顾了近年来高超声速流动稳定性及转捩在工程应用研究的若干进展,介绍了流动稳定性在复杂外形流、非平行流、局部突变流、强三维流方面的工程化拓展研究,总结了转捩预测e^N方法在感受性、积分方法、转捩判据、软件开发方面的工程化研究进展;结合风洞试验、弹道靶试验、飞行试验,对零迎角锥、椭圆锥、小迎角锥和大迎角锥的典型案例进行了应用;展望了高超声速流动稳定性和转捩在工程应用的未来。

垂直加热通道内超临界水流动稳定性参数敏感性分析

给出了无量纲分析法与频域法相结合的稳定性分析方法的详细描述,并定义了影响稳定性的关键无量纲数。针对垂直加热通道内超临界水进行了密度波稳定性分析,并建立了稳定性边界。对系统入口阻力因数、出口阻力因数、摩擦因数、进出口压降和流动方向等进行了参数敏感性分析,结果表明高的入口阻力因数有利于系统的稳定,但高的出口阻力因数和高的摩擦因数不利于系统的稳定,系统进出口压差对系统的稳定性影响较小,向上流动比向下流动更有利于系统的稳定。计算结果对超临界水堆的堆芯和系统设计具有指导性作用。

流动稳定性中小扰动波传播速度的数值研究

在保守系统中 ,小扰动波如线性水波及线性重力内波等均以其群速度传播 ,且群速度等于能流速度。在非保守系统中 ,波的传播速度还是个不十分清楚的问题。本文用数值计算的方法研究流动稳定性问题中小扰动波的传播速度。结果表明 ,波的传播速度并不等于能流速度 ,而与复群速度的实部近似相等。

磁场作用下导电流体的流动稳定性研究进展

磁场作用下导电流体的流动稳定性研究在电磁材料制备过程以及核聚变反应堆冷却系统的设计与制造有重要意义。文中简述了流动稳定性研究的主要方法,分析了正则模态和非正则模态两种方法的利弊,因两类方法所考察的扰动的增长形式不同,其结论往往不一致;对近十几年磁场作用下导电流体在不同形状管道内的流动稳定性研究进展进行了分类和概述,主要介绍了磁场方向、壁面导电率对流动稳定性的影响;针对相关实验的开展、稳定性分析方法以及对转捩机理的研究等提出了可能值得深入研究的方向。

“流动稳定性与转捩”专栏前言

《空气动力学学报》将若干篇与转捩预测有关的文章集中在同一期刊出,这有利于做这方面工作的同志的参考,也有利于提高刊物的作用和影响,是一种好的做法。近年来,转捩预测问题受到了越来越多的关注,这可能和航天技术发展的需求有关。当然,航空技术的发展对此也有需求。但航空技术的发展历时较久,对这一问题的解决至少在国外已有了一些办法。而航天技术则远不如航空技术成熟,即使在最先进的国家如美国,也都没有成熟的经验(至少在公开文献中没有看到)。因此我们必须自己动手来解决这一难题。

钻井液流动稳定性判别新方法

在钻井、固井作业中工作液基本都符合非牛顿流体的本构模型,因而研究非牛顿流体的稳定性判别方法对于科学设计钻井、固井等水力参数、避免在作业中出现不希望出现的流态具有重要意义。在全面分析了现有流体稳定性判别方法基础上,提出了应用圆管和环空断面平均剪切率与平均剪切力而得断面平均视粘度的方法,应用该方法建立了一种新的判别非牛顿流体稳定性的方法。利用文献中的实验数据对非牛顿流体稳定性判别新方法的验证结果表明,该方法符合流体流动本质,并且与雷诺数定义的本义相符,比普通方法相对误差小,可以用于钻井水力参数设计施工。