圆柱涡诱导振动响应频率计算方法

结构涡诱导振动问题在工程中较为常见,有效的结构涡诱导振动响应动力学行为预测是工程设计和安全生产的基础。研究表明,位于锁定区内结构涡诱导振动响应频率依赖于结构、流动及振动的相关参数,但振幅却与决定响应频率的附加质量之间表现出较小的相关性。结合强迫振动实验得到的响应频率、振幅与附加质量的关系分布规律,给出了一种简单实用的圆柱结构涡诱导振动响应频率计算方法。该方法对不同流动与结构参数下响应频率的计算结果有较高的精度,同时其可较为方便地推广到三维结构响应频率计算。

预混段结构对氢燃料旋流预混燃烧诱导涡破碎回火极限影响的数值研究

燃烧诱导涡破碎(combustion induced vortex breakdown,CIVB)回火是氢燃料旋流预混燃烧可靠运行所面临的重要问题之一。文中通过数值模拟分析了预混段长度L和预混段出口水力直径D对CIVB回火极限的影响。数值"试验"设计方案的选取借鉴试验设计(DOE)方法,而结果处理则采用方差分析方法。得到如下结论:L和D对回火临界当量比?cri和熄火因子Cquen都有显著影响,其中?cri对应LD2,Cquen对应LD;预混段结构通过改变混合物在预混段内的停留时间作用于CIVB回火极限,可以通过减小L或D改善CIVB回火的发生;此外,文中证实了回火极限与预混段几何结构间函数关系的存在,拓宽了已有时间尺度模型的应用范围。

跨音压气机转子叶尖流场中诱导涡的讨论和分析

Van Zante等首次提出了诱导涡的概念,在研究诱导涡与压气机叶尖流场的关系之前需要回答"诱导涡是否存在"这一问题。为此以跨音转子NASA Rotor 35为研究对象,采用四种不同的网格配置在80%设计转速下进行单通道数值模拟。数值计算均捕捉到了流场的主要特征,与实验结果符合较好;但没有出现所谓的诱导涡,因此对叶尖区流场的关注焦点仍然可以集中在叶顶间隙泄漏流本身。尽管如此,近机匣壁网格不断加密还是会对泄漏流的轨迹产生影响;因此Van Zante等提出的用来评估壁面剪切层强弱的参数VD依旧具有参考价值,只是针对其物理意义的解释需要重新阐述。

非定常激励下等离子体DBD诱导涡特性研究

在非定常激励下,等离子体DBD诱导涡是影响等离子体流动控制效果的关键因素,研究静止大气下DBD诱导涡结构特性对进一步理解等离子体DBD流动控制机理具有重要意义。采用高频PIV与高速纹影系统对静止大气下DBD诱导涡结构进行了研究,通过λ2法则分析了诱导涡涡核移动规律,获得了非定常激励下诱导涡的演化规律以及脉冲频率对诱导涡结构以及尺度的影响。在一定脉冲频率内,DBD诱导涡生成速率与脉冲频率一一对应,诱导涡涡核移动方向与壁面呈16°～21°,随着脉冲频率的增加,诱导涡尺度逐渐变小,且越来越靠近壁面。全文总结了不同脉冲频率下涡的相互作用以及黏性耗散对诱导涡发展过程的影响。

离体小结构诱导涡抑制圆柱绕流流动分离的数值模拟

以圆柱绕流为代表的钝体绕流是工程实践中非常普遍的流动现象,推迟和抑制圆柱尾部涡脱落是流体力学研究的热点之一。在Re=100下,本文模拟了在圆柱附近加装两个对称的微小圆柱后的圆柱绕流,探究对称控制微小圆柱安装位置和直径对圆柱绕流的流场和整个系统的升阻力系数的影响。数值模拟结果表明:在圆柱附近加装对称控制的微小圆柱后,圆柱附近存在一个有效流动控制区域,且该区域的范围随着对称控制微小圆柱直径的增大而减小;在有效的流动控制区域内,添加对称控制的微小圆柱后,整个系统的升力幅值和时均阻力都减小,圆柱气动性能明显改善;在有效的流动控制区域外,添加对称控制小圆柱后,整个系统的升力幅值和时均阻力都增大,圆柱气动性能变差。

涡发生器安装位置对风力机翼型流场影响的数值研究

采用数值模拟的方式对带/不带涡发生器的翼型流场进行计算,并与相应的试验数据进行对比,验证数值计算方法的可靠性。在此基础上,对3种不同弦向位置涡发生器对翼型气动特性的影响进行计算与分析。结果表明,3种安装位置的涡发生器均可有效推迟失速攻角及提高最大升力系数,但由于位置不同,产生的诱导涡的强度有较大差别,并对速度型线产生较大影响,最终导致翼型气动特性上的差异。在3种弦向位置中,20%弦向位置可取得较好的流动控制效果。

扰流片对三角翼脱体涡影响的实验研究

在染色法流动显示实验的基础上,进一步深入研究了扰流片在不同标高攻角和来流速度情况下对70°三角翼脱体涡的影响。PIV测试结果表明,在适当位置,扰流片对三角翼的脱体涡的破裂具有一定的延迟作用,在扰流片的诱导涡与三角翼脱体涡方向一致时,脱体涡破裂延迟越靠后。

超声速大攻角旋成体迎风激波数值模拟

旋成弹体在大攻角超声速流动中其迎风面上有时会出现一种迎风激波,采用非定常雷诺平均的Navier- Stokes方程以及两方程kw-sst和代数B-L湍流模型成功地模拟了该现象,验证了该迎风激波是由于流场主旋涡导致超声速流动偏移造成的涡诱导激波的一部分的结论。

直升机发动机入口绕流的数值模拟

对直升机发动机入口处流场采用有限体积法,通过生成贴体结构化网格求解Navier-Stokes(N-S)方程,进而对MI-171直升机低空悬停和前飞状态进行数值模拟,计算了该型直升机发动机进气道处的流场特性.然后以广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正的旋翼自由尾流模型对该机发动机进气道处流场进行计算分析.对沿发动机轴线剖面以及垂至于该轴线剖面的分析结果表明,CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法与旋翼自由尾流分析方法均可以对涡诱导流场进行预测.

间冷对燃气轮机燃烧室性能的影响

间冷循环可使燃气轮机功率提高且耗油率降低,但由于间冷的介入,燃烧室的喷油量和容热负荷会大幅增加,这必然导致燃烧室性能的恶化。采用数值模拟的方法,对比研究了在标准工况和间冷后增容工况下燃烧室冷态流场和燃烧性能的差异,并提出组合涡诱导结构以解决间冷给燃烧室带来的问题。结果表明:间冷后压力损失增加了135%,燃烧后高温区偏心严重,燃烧效率、出口温度分布系数等明显降低;使用组合涡诱导控制结构后燃烧效率可提高1.6%,且出口温度分布改善明显。

旋风分离器非稳态流场的简化分析

定性分析了非稳态旋进涡核在旋风分离器流场中的运动形式及其对流场的影响。按照涡丝在流场中产生诱导速度的原理 ,提出了旋风分离器流场中有旋进涡核存在时流场的计算方法 ,通过计算值与实测值的比较发现两者吻合较好。

预混段结构对旋流预混氢火焰回火形式影响的数值研究

为了区分不同类型的回火形式,以便可以对不同类型的回火施加不同的控制方法,引入试验设计(DOE)方法和方差分析方法数值分析了预混段长度L和预混段出口处水力直径D对回火形式和回火极限的影响。主要得到如下结论:L和D对回火极限均有显著影响,通过减少混合物在预混段内的停留时间可以同时改善燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火和边界层回火;L/D存在两个临界值,当L/D≤(L/D)cri1时发生边界层回火,当L/D>(L/D)cri2时发生CIVB回火,当(L/D)cri1<L/D≤(L/D)cri2时可能只发生CIVB回火或两种回火形式共存;L/D通过改变CIVB回火发生所需的临界切向涡量值而作用于CIVB回火,L/D值越大,诱发CIVB回火所需的临界切向涡量值越小,越容易发生CIVB回火。

旋流强度对甲烷/空气预混火焰CIVB回火的影响

为了研究旋流强度对甲烷/空气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解CIVB回火的机理进而抑制回火,采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了甲烷/空气预混火焰在不同旋流数下的CIVB回火极限,通过负切向涡量和流动不稳定理论分析了回火过程中的涡破碎。结果表明,对于无中心体旋流预混喷嘴中甲烷/空气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.416,先促进回火后抑制回火;对于同一个喷嘴结构,不同旋流数下发生CIVB回火时流场满足相同的涡破碎条件,即负切向涡量最大值约为5.5×10~4s^(-1),从宏观尺度分析其实质是流动不稳定扰动因子相同。

基于试验设计方法对氢燃料CIVB回火的多参数数值分析

为了能够全面考察多因素,包括质量流量、燃烧室结构(旋流器结构和预混段结构)、温度和燃料组分等对燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,采用试验设计(DOE)方法进行多参数数值分析。对于CIVB回火的模拟采用二维轴对称模型,并补充用户自定义函数(UDF)来模拟旋流器的存在。结果表明:因素对CIVB回火影响的重要程度排序依次为:旋流器结构>预混段结构>温度>燃料组分>质量流量;其中,旋流器结构、预混段结构、温度和燃料组分对于CIVB回火具有高度显著的影响,而质量流量以及任意两因素间的交互作用可以忽略;各因素主要通过改变流场和火焰特性作用于CIVB回火。

旋流强度对氢气预混火焰CIVB回火的影响

为了研究旋流强度对氢气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解氢气的CIVB回火特点进而减弱回火,首先采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了不同旋流数下氢气预混火焰的CIVB回火极限,然后从旋流强度对流场特性和火焰特性两方面的影响进行深入分析。结果表明:对于无中心体旋流预混喷嘴中氢气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.432,从流场条件分析,旋流数增加使负切向涡量增加,对回火起促进作用;从火焰条件分析,旋流数增加使氢气湍流火焰速度先增加后减小,最后趋于猝熄,对回火先起促进作用后起抑制作用。流场和火焰条件共同决定了旋流数对氢气预混火焰CIVB回火的影响趋势,即旋流数增加先促进回火后抑制回火。

来流边界层对三角翼诱导涡特性的影响

三角翼是涡发生器的主要结构型式,用于涡发生器的三角翼常处于翼面边界层内。本文采用数值求解雷诺平均NS方程的方法,以平板上一个三角翼模型为研究对象,研究不同来流边界层速度型(均匀分布、湍流边界层速度型和层流边界层速度型)和5种边界层厚度条件下,三角翼诱导涡沿流向的最大涡量分布规律及衰减规律。结果表明,湍流边界层下三角翼诱导涡最大涡量值要大于层流边界层,且边界层高度越低,诱导涡最大涡量值越大。

艇体对螺旋桨紧急倒车诱导涡的影响

为探究艇体对紧急倒车时螺旋桨诱导涡的影响,基于大涡模拟(LES)湍流模型,以Star CCM+为工具,对Sub-off后的E1619桨周围的流场特性进行计算,并对网格和时间步长进行收敛性分析,提高计算结果的可靠性.计算结果表明:上游艇体的存在会明显加剧螺旋桨诱导涡的变形和演化,进而增加其载荷波动程度及载荷平均值,反之,螺旋桨的紧急倒车运转亦会增加艇体阻力的均值和波动;极限载荷工况下桨叶间的流动分离是造成环状涡急剧变形和分离的重要原因.

应用加权紧致非线性格式的VFE-2钝前缘三角翼转捩模拟

为研究前缘转捩对钝前缘三角翼涡结构的影响,采用高阶精度加权紧致非线性格式和γ-Reθ转捩模型对VFE-2中等半径钝前缘三角翼进行数值模拟。将计算结果与试验结果进行详细对比,结果表明:钝前缘三角翼的前缘分离涡发生在翼尖下游,在特定雷诺数下其具体发生位置受转捩因素影响,采用全湍流模型计算会推迟分离,而耦合转捩模型后的计算结果和试验结果吻合良好。运用耦合转捩模型方法,对钝前缘三角翼涡结构随迎角变化进行模拟。计算结果与试验结果吻合,表明在较小的迎角下,前缘不会产生分离诱导涡;随迎角不断增大,分离诱导涡在三角翼后缘附近产生并向上游移动。

带三角形V肋和反向V肋内冷通道强化换热机理研究

为了研究Ⅴ型肋分布形式和截面形状对带肋通道表面的换热强度和流动结构的影响,采用瞬态液晶实验和数值模拟相结合的方法,对截面形状为三角形的Ⅴ肋和反向Ⅴ肋在不同雷诺数工况下的表面换热系数分布规律进行了研究,并分析了Ⅴ肋和反向Ⅴ肋诱导产生的肋间涡的发展特性,并与传统矩形截面肋结构进行了对比分析。结果表明:带肋通道表面换热系数随雷诺数增大而增大;正向Ⅴ肋后换热系数呈'心'型分布,在一条肋两支之间诱导一对涡,并沿流向向两侧发展,三角形截面肋的高换热区更集中于中线;反向Ⅴ肋后换热系数呈'八'字型分布,在一条肋两支外侧诱导对涡,沿流向向中间发展,且三角形肋的展向范围更大。三角形截面肋的换热强于矩形截面肋,且当入口雷诺数低于2.5×104时,三角形反向Ⅴ肋的换热效果最好。

强声激励下旋流火焰周期性流动结构的实验研究

强声波扰动下旋流流场的动态特征对于理解旋流火焰的非线性响应特性非常重要。基于超高重复频率脉冲串式激光器高速粒子示踪技术测量了强声激励下旋流火焰的动态流场,研究了旋流流场周期性涡结构和流场-火焰动态相互作用。周期性声波扰动会在旋流火焰内剪切层和外剪切层中引起固有涡结构。发现外部涡环在卷曲火焰锋面和改变火焰热量释放速率中起主要作用,而内部涡环分布在火焰根部并会影响中心回流区速度分布。定量提取了声诱导涡环的轨迹、涡量、环量、尺寸、出口速度以及加速度之间关系,发现强声激励下的出口速度和加速度决定了外部涡环的形成和脱落过程。