粗糙元取向对湍流统计量影响的数值研究

采用直接数值模拟方法研究了椭球体粗糙元取向对粗糙壁槽道湍流统计量的影响,其中,粗糙元几何采用清晰界面浸没边界方法直接解析。考虑了四种不同粗糙元取向的粗糙壁,包括随机取向、垂直放置、朝下游倾斜45°、朝上游倾斜45°,对于每种取向选取三种不同粗糙元间距。模拟结果显示:粗糙元取向对湍流统计量有显著影响;对于小粗糙元间距(l=2.0r,其中r为椭球体的最短半轴长),“随机取向”粗糙壁的砂粒粗糙度长度(k_(s))大于其他粗糙壁;对于大粗糙元间距(l=2.8r、3.5r),“垂直放置”粗糙壁的k_(s)最大;“朝下游倾斜45°”和“朝上游倾斜45°”粗糙壁的k_(s)值和雷诺正应力(以壁面摩擦速度无量纲化)基本相同,并且其流向雷诺正应力远高于其他粗糙壁。另一方面,“朝下游倾斜45°”粗糙壁的流向分散应力高于“朝上游倾斜45°”粗糙壁;垂向和横向分散应力远小于流向分散应力,其中“随机取向”粗糙壁的垂向和横向分散应力幅值最高.

双粗糙元对高超音速边界层感受性的影响

为了揭示壁面粗糙元对高超音速边界层感受性影响机理,本文采用高阶精度有限差分方法对高超音速流场及边界层进行直接数值模拟,分析双壁面粗糙元组合形式对高超音速稳态流场及边界层内流动状态的影响。在此基础上,结合快速傅里叶变换方法,探究脉冲慢声波作用下高超音速边界层感受性机理。结果表明:双壁面粗糙元导致高超音速流场中形成一组新的波系。边界层内扰动波在向下游传播过程中主导模态在逐渐减小,并存在模态竞争现象。双粗糙元的组合类型对边界层内不同模态扰动波的传播具有一定的影响,其中双K型双粗糙元的组合显著抑制了其下游区域内主导模态扰动波的演化。

不同壁面粗糙元形状对颗粒起动状态的影响

针对散堆料场颗粒扬起导致的扬尘污染问题,对散装料堆壁面附近的流场结构及颗粒起动过程进行了数值模拟。采用离散元动力学(CFD-DEM)方法分别对饼形、半球形粗糙元壁面料堆流场进行了模拟,并与光滑壁面料堆模拟结果对比。结果表明:由于粗糙元对流体的阻碍作用,粗糙元料堆壁面的流线比光滑壁面更密集;流场最大速度位于迎风面顶端,来流风速6 m·s^(-1)时,在距顶风面高度Δz=1 mm处,半球形、饼形粗糙元壁面流体最大速度分别为5.7 m·s^(-1)、5.4 m·s^(-1),均大于光滑壁面速度4.1 m·s^(-1);离壁面较远处(Δz≥2 mm)粗糙元对最大速度的影响则较小;与光滑壁面不同,在饼形与半球形粗糙元间均存在涡结构,且半球形粗糙元产生的涡结构尺度更大;上述因素导致半球形粗糙元壁面颗粒获得的起动速度远大于光滑壁面,颗粒更易起动。

凸粗糙元对H型垂直轴风力机启动性能影响的试验研究

为了改善H型垂直轴风力机的启动性能,本文提出了一种表面装有半球形凸粗糙元叶片的H型垂直轴风力机,并对单面装有凸粗糙元叶片的H型风力机进行风洞试验,分别测试了H型风力机在多个风速下的静扭矩特性以及动态启动特性,得出了凸粗糙元对H型风力机启动性能的影响规律。试验结果表明:采用凸粗糙元外置叶片的H型风力机静扭矩增大,启动时间减小,最大稳定转速增大。

基于柱状粗糙元的边界层人工转捩试验研究

为提高风洞试验模型边界层转捩模拟的准确性、可靠性和可操作性，逐步取代沿用多年的基于金刚砂粗糙带的转捩模拟方法，本文针对GBM-04A战斗机标模，确定了柱式转捩带的技术参数、制作方法和粗糙元配方，采用全模型测力和表面升华法对边界层转捩效果进行了试验研究。结果表明，对GBM-04A标模而言，粗糙元的最佳高度为h=0．09～0．11mm，在此范围选择粗糙元高度，不仅可以在模型上得到满意的人工转捩效果，而且不产生附加阻力；柱式转捩带具有传统金刚砂粗糙带不可比拟的显著优点，适合在高速风洞试验中推广应用。

关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟,该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入,了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明:尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋,迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度,同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面;粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应,调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是,尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识,异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。

高超声速粗糙元诱导转捩的数值模拟及机理分析

采用直接数值模拟方法细致刻画了钻石型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了钻石型粗糙元诱导转捩的机理.流动结构的拓扑分析表明,钻石型粗糙元头部区域和底部区域分别存在不稳定的鞍点-鞍点(SS)型轨线和鞍点-结点-鞍点(SNS)型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构.边界层流动失稳过程计算分析表明,钻石型粗糙元会产生高波数扰动,并发现在扰动发展过程中大尺度结构会破碎.两种不同类型的流动失稳效应同时存在.此外,通过不同类型粗糙元(圆柱、斜坡及钻石型)的对比,揭示了不同类型粗糙元诱导转捩机理的差异,为高超声速人工转捩装置设计提供了基础理论支撑.

利用尖劈和粗糙元技术模拟大气边界层的研究

在尖劈和粗糙元大气边界层模拟技术的基础上增加了格栅挡板这一涡旋发生器,有效地提高了风洞上方的湍流强度,利用该组合边界层发生装置建立了边界层风场。测量了模拟风场的平均风速剖面,湍流强度剖面,风谱等参数,讨论了格栅挡板增加后风场平均风速剖面和湍流强度剖面的变化。三角形尖劈阻风面积沿高度递减产生近似线性的风速剖面,粗糙元调整平均风速和湍流度剖面分布,格栅挡板提高了风洞上方的湍流度。结果分析表明:试验所得风场满足模型试验所要求的小粗糙度和大湍流度的要求。然而,模拟风场的湍流功率谱和积分尺度的高度变化规律和实际大气边界层相反,这是由尖劈下宽上窄的构造特点所决定的。

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置:粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现:对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。

粗糙元对高超声速边界层转捩影响的研究进展

高超声速边界层转捩对高超声速飞行器气动设计具有重要影响。转捩控制一直是转捩研究的主要目的之一,在高超声速情况下主要采用粗糙元进行边界层转捩控制。回顾了近年来不同类型粗糙元对高超声速边界层转捩影响及控制的最新研究进展;从粗糙元对高超声速边界层的感受性问题以及横流失稳影响的角度,介绍了其在高超声速边界层转捩机理相关研究中的作用;简要介绍了南京航空航天大学高超声速风洞(NHW)的油膜干涉测量技术在粗糙元诱导的高超声速边界层转捩研究中的应用;讨论了当前粗糙元对高超声速边界层转捩影响研究存在的问题,展望了该研究未来发展趋势。

颗粒状粗糙元对可蚀性地表的保护作用

应用粗糙壁面附近湍流边界层的阻力分解规律,研究了可蚀性地表上散布的颗粒状粗糙元的防风蚀效应。认为按一定密度散布在地表的颗粒状粗糙元(例如粗沙和砾石等),对抑制风蚀起到了两个关键作用:其一,增大地表盖度以减少暴露面积;其二,削弱了暴露面积上的风阻力。基于这一认识,应用量纲分析原理,建立了地表风蚀率与边界层外风速、粗糙元分布密度之间关系的理论公式,并依据有关实验数据分析了公式的可靠性。

不同形状粗糙元在诱导超声速边界层转捩中的应用

为了研究不同形状粗糙元诱导边界层转捩机理的差异,采用五阶精度加权紧致非线性格式数值模拟了Ma=4. 20条件下方柱形、圆柱形、钻石形和半球形粗糙元引起的超声速平板边界层转捩问题。结果表明:方柱形粗糙元产生的分离区长度较大,分离区中存在较强的非定常扰动并产生绝对不稳定机制使边界层很早就发生转捩;钻石形粗糙元分离区的展向宽度较宽,导致分离区中的涡结构向下游发展时形成的湍流尾迹区较宽;而圆柱形和半球形粗糙元诱导边界层转捩的能力相对较弱。

粗糙元特征对风洞中大气表面层模拟的影响

采用不同尺度、不同铺设密度的二维正方形粗糙元，在环境风洞中对大气表面层进行了模拟．使用粒子图像速度场仪对所模拟的大气表面层风速廓线、湍流强度进行了测量．结果表明：当粗糙元的铺设长度达到实验段入口高度的12倍以上时，依靠自然形成法所模拟的对数风速廓线高度可达实验段高度的60％；空气动力学粗糙度Z0最高可达粗糙元尺度的0．4-0．5倍，且Z0随粗糙元铺设区到测量断面的距离呈指数变化；同一高度上湍流强度随粗糙元铺设间距的增加而减小，当廓线高度达到实验段高度的40%以上时，湍流强度不随粗糙元大小及铺设密度的变化而变化，其大小为12%～13％．实际应用中，在已知所需Z0和摩阻风速U＊的情况下，可通过粗糙元尺度及铺设密度的不同组合获得满足要求的大气表面层，并确定实验模型区的位置和实验段的入口风速．

高超声速平板边界层/圆柱粗糙元非定常干扰

以高超声速表面湍流控制为应用背景,平板/粗糙元干扰流动为模型,采用大涡模拟方法研究粗糙元流场干扰作用机理.分析粗糙元外形特征对于流动稳定性影响,给出其引起的流动表面参数的变化规律.结果显示超声速边界层在粗糙元作用下产生强逆压梯度并发生分离,粗糙元高度对高位自由剪切层失稳有明显影响,低粗糙元干扰下游流动稳定性,而高粗糙元剪切层发生流向失稳,形成涡串结构;同时粗糙元干扰导致下游摩阻和热流系数较平板略低,可能应用在进气道降热和减阻中.

二维单一粗糙元对边界层转捩影响的实验

在风洞中对水平光滑平板以及加有粗糙元平板的边界层转捩进行了测量与研究 ,比较了不同情况下平板边界层内由振动梁激励生成的T S波沿流向和法向强度的分布规律 ,得到了相应的振型、增长曲线以及中性曲线。实验中发现与光滑平板边界层的下端开放式的拇指型中性曲线相比较 ,有粗糙元平板的中性曲线为封闭式的环形曲线 ,随着粗糙元高度的进一步增加中性曲线收缩为更小的闭合环。

平板微通道流动传热的粗糙元间距效应

微细尺度传热问题业已成为国际传热界的研究点,而壁面粗糙度对微细通道流动和传热特性有着重要影响。以粗糙平行平板微通道为研究对象,用三角形粗糙元模拟固体表面的粗糙度,通过采用CFD(computational fluid dynamics)流体固体共轭传热技术数值研究了粗糙元间距对平行平板微通道流动和传热特性的影响规律,同时研究了其间距对微通道流动的转捩雷诺数的影响规律;计算结果表明:随着三角形粗糙元间距的增大,粗糙平板微通道的阻力性能逐渐下降,层流向湍流转捩的雷诺数呈逐渐增大趋势,同时粗糙平板微通道的传热性能呈逐渐下降趋势。

粗糙元覆盖对土壤风蚀的控制作用

应用湍流边界层中粗糙壁面的阻力分解规律研究土壤风蚀中的临界侵蚀风速、输沙率和风蚀率,建立了一个揭示地表粗糙元对土壤风蚀控制作用的理论模型。该模型给出了临界侵蚀风速与盖度之间的指数关系,临界侵蚀风速与农田茬高之间的指数关系,以及反映输沙率(或风蚀率)与盖度(或茬高)、风速之间依赖关系的理论公式。然后应用天然地表风蚀和农田风蚀的多家实验数据,对这些理论公式进行了广泛地检验和评价,发现具有很好的普适性。

离散式粗糙元诱导翼型边界层转捩的数值和实验研究

在Ma=0.6来流条件下,针对三维离散式圆柱粗糙元诱导NACA0012翼型边界层转捩问题开展了直接数值模拟(Direct numerical simulation,DNS)和油膜干涉风洞实验研究,分析了粗糙元诱导转捩的机理及粗糙元高度和相邻粗糙元间距对转捩位置的影响。结果表明,翼型表面粗糙元能够通过诱导出三维Λ涡和马蹄涡促进边界层转捩,达到转捩控制的效果。粗糙元高度和相邻粗糙元间距对边界层转捩有影响,且增加粗糙元高度和减小相邻粗糙元间距能够促进转捩。粗糙元高度对转捩的影响大于粗糙元间距,且对粗糙元后方区域影响大,对相邻粗糙元中间区域影响小。

粗糙元对微通道稀薄气体流动换热影响研究

针对壁面粗糙元对微尺度通道内稀薄气体流动和传热的影响,采用直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)进行研究,分析了粗糙元数量、分布和高度不同时,各类型微通道内稀薄流动和传热状态及特征参数的变化情况.结果显示,当粗糙元数量增加时,微通道壁面压力和换热量分布略有波动,壁面摩阻和通道中心线上的雷诺数受流场总体速度降低的影响,变化较为明显;当粗糙元的高度增加时,微通道内流场发生了较为明显的变化,通道内平均换热量、壁面摩阻和中心线上的雷诺数均有不同程度的下降,而壁面压力和雷诺数等流动性能的波动性显著增大.由此可以说明,粗糙元对微通道内的流动换热性能产生的主要影响为压缩和阻滞效应,前者会提高局部流速的波动性,后者则会降低通道内流场的流动性,相比于增加粗糙元数量,提高粗糙元的高度所产生的影响更为明显;另外,微通道内的换热性能主要取决于流动速度,粗糙元能够增大换热面积并通过压缩效应增大局部换热量,但由于其阻滞效应的作用,通道内流速随之降低,从而导致平均换热量有所下降.

上游粗糙元对叶片根部马蹄涡的影响

为了消弱叶片根部马蹄涡的强度,提出一种无需额外消耗能量的被动控制手段,在简化了的叶片-平板结构的上游某位置布置一组粗糙元。利用fluent软件采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,数值模拟了不同摆放位置及高度的粗糙元对叶片根部马蹄涡的影响。结果显示任何一种粗糙元都能不同程度地削弱马蹄涡系,放置在距离叶片根部d/T=1(d为粗糙元距叶片前缘距离,T为翼型最大厚度)处且高度h/T=1/20(h为粗糙元的高度)的粗糙元,在粗糙元后的流动结构与流向涡的空间尺度以及主马蹄涡涡量的综合控制效果较好;另外,相对较高的粗糙元对主马蹄涡控制效果来说是有利的,但会使叶身两侧的流向马蹄涡涡腿远离叶身。