烧蚀外形转捩流动的数值模拟

本文采用雷诺平均Navier Stokes方程和修正Baldwin Lomax代数湍流模型,以Roe二阶流通量差分分裂格式进行离散,数值模拟了典型烧蚀外形的高超声速流场,重点讨论了流动转捩的判定及其与复杂流态的关联。结果表明:数值模拟出的球钝锥外形转捩点位置与工程估算结果符合较好;对工程估算中存在困难的奶头状凹陷烧蚀外形,数值模拟也可给出符合流场结构的转捩点位置。

应用改进的低雷诺数湍流模型预测转捩流动

基于Launder-Sharma(LS)低雷诺数k-ε两方程湍流模型发展了一种改进的具有转捩敏感性的低雷诺数湍流模型.针对LS模型的可实现性(realizability)问题和前缘滞止点湍动能预测过大的不足,模型进行了改进.改进模型只使用当地物理量,不需要求解壁面距离、y+和边界层积分参数.改进模型能够适用于广泛的流动,且容易应用到通用的计算流体动力学(CFD)程序中.对具有详细数据的零压力梯度平板转捩边界层T3A实验的模拟结果显示,改进模型能够预测转捩流动,并能对自由湍流变化给出合理的响应.

几种典型流动条件对平板转捩过程影响的数值模拟

采用作者构造的k方程转捩湍流模型，数值模拟了较大跨度来流湍流度情况、不同来流湍流度时几种不同顺、逆压梯度存在情况、壁面存在不同热交换强度情况下平板的转捩流动过程．与实验结果对比表明，新模型具有较好地模拟转捩流动能力。

具有转捩流动特性的高压燃气气冷涡轮叶栅的气热耦合计算

采用CFX商用软件对NASA-MarkⅡ高压燃气涡轮5411工况进行气热耦合计算,着重分析各种湍流模型对转捩流动区域的预测能力,与实验结果比较,k-ω-shear-stress-transport(SST)-Gamma-Theta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.另外,自编耦合计算程序对相同工况进行气热耦合计算,湍流模型采用Baldwin-Lomax(B-L)代数模型,结果说明,除转捩区域外,B-L模型对叶片表面其余位置的计算结果较准确.应用ANSYS商用软件进行热应力分析,结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.

电加热圆管内流动的自然转捩过程研究

分析了在一个电加热圆管内的自然转捩流动和对流传热。对于圆管内的流动,提出在径向脉动速度不随流动模式变化的假设下,自然转捩流动是充分发展的层流与湍流流动按照比例的合成。采用合成比例来描述该合成流动,合成比例在转捩区间会发生振荡。根据最小熵产生准则得到自然转捩发展演化的方程,其中转捩发展演化的控制因素,是合成比例的振荡。给出了一个与测量结果一致的合成比例的振荡函数,包括圆管内转捩过程的传热实验测量和速度及其脉动统计特性的实验测量。指出圆管内层流向湍流的转捩过程,可以与热力学平衡系统的连续相变过程进行比较,并且在电加热圆管内的流体,其速度和温度可以有相似和独立的转捩演化过程。

短小针肋阵列通道内转捩流动与传热性能的实验研究(英文)

对一种毫米级的短小针肋阵列通道内转捩流动条件下的流阻和传热性能进行了实验研究,获得了摩擦因子、平均Nusselt数以及综合热性能参数。研究表明,在转捩流动条件下,短小针肋阵列能够显著强化对流传热,但同时也明显提高了摩擦阻力。实验结果与文献中的短针肋阵列通道流动和传热的实验结果进行了比较,本实验中短小针肋阵列的配置在转捩流动条件下传热性能提高68%以上,并且综合热性能也提高11%以上。

转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响

为研究转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响,文章选取了二维与三维高超声速双斜面进气道模型与大钝头着陆器模型,并使用γ-Re_θ转捩模型开展数值模拟研究.研究表明,对于二维进气道模型,随着前缘钝度的增加,激波边界层干扰位置前移,分离区变大,与层流流动情况相比,有转捩流动发生时,激波边界层干扰位置后移,同时分离流动强度变弱,分离区缩小;对于三维进气道模型,其拐角附近的分离流动呈现明显的三维特征,转捩流动也存在三维流动结构,与静风洞状态相比,噪音风洞状态下,有转捩流动发生,对壁面热流影响较大,对激波系影响很小.对于着陆器模型,底部流动发生转捩,使得底部流动由不稳定非定常的流动结构变为稳定定常的流动结构,这有益于姿态控制设计.

高超声速流动转捩的数值研究

基于线性稳定性的结果,以类似于处理湍流脉动的方式来模化流场脉动,用以研究高超声速的流动转捩,包括转捩起始位置及转捩区长度。研究中采用Faver平均Navier-Stokes方程κ-ε湍流模型,分别以Roe二阶流通量差分分裂格式和Chakravarthy三阶迎风TVD格式进行离散,数值模拟了椭圆锥的高超声速绕流流场,分析比较了不同的湍流转捩机制,并研究了雷诺数的影响规律。结果表明：Bypass转捩机制是传统的高湍流度风洞中模型流动转捩的主控因素。

微小通道内流动及气溶胶沉积特性实验研究

事故后气溶胶通过安全壳微小通道穿透会发生滞留现象,在不同载气流动状态下,主导沉积机制不同,会影响气溶胶的穿透率,因此需要研究微小通道内气溶胶的载气流动特性及气溶胶沉积特性。本文建立了微小通道气溶胶穿透与滞留实验装置,开展了雷诺数为40~3600的载气流动与气溶胶沉积实验研究。在雷诺数约为700时,微小通道内会发生层流转捩。层流流动下,在大突缩比的矩形微通道中,随着雷诺数的增大,入口碰撞效应减弱,穿透率增大;小突缩比薄壁毛细管微通道入口效应弱,随着雷诺数的增大,气溶胶几乎完全穿透。在雷诺数为800~3600的湍流流动下,气溶胶沉积主要处于涡流扩散-碰撞区及惯性主导区,受到湍流涡的影响气溶胶穿透率随雷诺数的增大而减小。

基于数据驱动转捩模型的翼型动态失速气动力计算

低Reynolds数下层流分离和分离诱导转捩现象复杂,数值仿真难度大。基于全连接反向传播神经网络,建立了低Reynolds数转捩间歇因子的数据驱动模型,通过优化设计选择了能够反映转捩过程的数据驱动模型的流场输入参数,辨识了转捩间歇因子,据此修正了k-ωSST二方程湍流模型,求解二维翼型动态失速下的流场演化和非定常气动力特性。结果表明,数据驱动的转捩方程耦合二方程湍流模型具有一定的迎角泛化能力,能够反映动态失速下前缘涡增长与脱落、流动再附着等典型流动状态。基于数据驱动转捩模型的动态失速下非定常气动升力预测结果与基于SST-γ三方程模型的CFD计算结果相比,相对误差小于12%。

一种新的k方程转捩湍流模型

本文在分析了针对充分发展湍流模型建立的k方程湍流模型模拟转捩流动的能力之后，构筑了一种新的Fμ函数及相应的k方程湍流模型．将该模型应用于数值求解NS方程，模拟了中等来流湍流度下零压力梯度平板捩报流动，并将部分计算结果与实验结果及经验关系进行了比较．

气固两相对翼型层流分离及转捩的影响研究

为了研究气固两相对翼型表面层流分离及转捩的影响,首先基于Transition SST模型,对平板和S809翼型的转捩特性进行数值模拟,并将模拟结果与实验值进行对比分析,验证Transition SST模型模拟边界层转捩的优越性。然后在清洁空气和含不同粒径颗粒的气固两相流中,对风力机专用翼型DU93-W-212进行数值模拟,对比分析间歇因子和摩阻系数,结果表明:当颗粒直径小于150μm时,颗粒的加入使得翼型边界层层流分离和转捩均提前发生,且颗粒直径越小,提前位置越多;当颗粒直径大于等于150μm时,层流分离和转捩的位置几乎与清洁空气下一致。

转捩模型在静叶栅三维粘性流数值模拟中的应用研究

边界层转捩流动的特征参数明显不同于层流或湍流,转捩流动的这些特征直接影响着流体的动力、传热特性。而通过有效地控制转捩起点、转捩区长度就可以有效改善流动效率。作者将修正的转捩模型应用到实际流场计算中,对计算结果进行了比较,从中得到了一些有意义的分析结果。

固体激光微通道冷却器内流动特性的数值模拟

建立了固体激光微通道冷却器数学模型,运用商业软件Fluent进行求解计算,并与文献中数据进行对比,验证了模型的可靠性。分析微通道尺寸及结构对转捩雷诺数影响,结果表明:微通道当量直径对于转捩雷诺数影响甚微,收缩比的大小是引起转捩雷诺数不同的关键因素,最终确定了不同收缩比下的转捩雷诺数。

雷诺时均模拟的两种转捩模型比较

对两种基于RANS方程的转捩模型进行分析讨论,这两个模型都只需采用局部变量计算,其中SST-γ-Reθt模型基于实验经验公式,层流动能模型基于转捩现象。两个模型都被耦合到RANS低雷诺数湍流模型中,并通过不同工况下T3系列平板的数值计算对模型进行评估。结果表明转捩模型较原湍流模型需要消耗更多计算资源;相对层流动能模型,SST-γ-Reθt模型对y+更为敏感,在无压力平板算例中两个模型能够较为准确地预测转捩,只有在湍流度增大时,SST-γ-Reθt模型预测的精度才会下降;在有压力梯度情况下,两个模型预测转捩起始点都较实验值延后,当来流雷诺数较大时层流动能模型预测的转捩长度较实验值偏小;从平板上不同位置(层流区、转捩区和湍流区)湍动能的分布情况能够看出SST-γ-Reθt模型只是在数值上模拟转捩过程,并不考虑转捩内在规律,层流动能模型预测结果与实验值较为吻合。

基于深度残差网络的高精度自然转捩模拟方法

结合机器学习的湍流模型是流体力学领域的研究热点之一.现有方法主要将实验/数值的数据用于重构或修正湍流涡黏性和雷诺应力,鲜有针对转捩问题的研究.本文利用深度残差网络(ResNet)重构了间歇因子与流场平均量间的映射函数,并与Spallart-Allmaras(SA)模型耦合,发展了一种类代数转捩模型.结合高精度加权紧致非线性格式(WCNS-E6E5)在转捩平板和S809翼型算例中进行了验证,并与四方程的SST-γ-Reθ转捩模型进行了对比,结果表明:纯数据驱动的ResNet模型能够准确预测间歇场,很大程度上改善了SA模型对自然转捩流动的模拟能力;训练数据仅基于两个零压力梯度转捩平板,模型能够应用于S809翼型不同迎角的情况,预测的升阻力特性和摩擦系数分布接近SST-γ-Reθ转捩模型的结果;在此基础上,相较SST-γ-Reθ模型节省了超过30%的计算成本.本研究显示了机器学习方法在转捩模型构建中的强大潜力.

水在不同管径超疏水性微管内的流动特性

在改性有机硅稀溶液中加入2%全氟辛基氟硅烷以及添加剂配制成超疏水液,采用滴定法在内径分别为0.447、0.728和0.873 mm的3种微铜管内壁实现微米级超疏水性涂层涂覆,其水滴表观接触角超过150°。建立微管内流动特性实验系统对超疏水性处理的减阻规律进行了实验研究,分别测量了雷诺数为100~3 000时去离子水流过处理前后微铜管时的内部摩擦阻力系数f。研究发现,内壁面的超疏水性处理显著降低了微管内的流动阻力,且该影响随微管内径的增加而增大,实验范围内流动阻力系数最大降幅达29.08%。超疏水涂层使得微管内的流动转捩现象出现滞后,且转捩Re随微管管径增加而略有增大。

加热对自然转捩湍斑产生影响的实验研究

本文利用流动显示和高速摄像技术，在湍流度为1％的水洞中，对加热的细长旅成体鱼雷模型表面的流动转捩过程进行了实验研究。实验发现，加热对自然转捩过程中湍流斑的猝发有明显影响，加热减小了湍斑产生的频率，增加了湍斑间的展向间距，使转捩过程中层流转变为完全湍流的过渡区延长．加热对瑞斑产生的纵向位置无明显影响。本文的实验结果正好解释在较高湍流庭环境中的加热减阻机理．

涡轮叶片与轮盘间枞树型榫头间隙中的流动与换热特性试验研究

枞树型榫头是大多数燃气涡轮采用的将叶片团联在轮盘上的一种方式，同时，利用榫头联接的间隙，通过冷却空气对叶根与轮缘进行冷却与隔热。气流在此间隙中的流动与换热特性对叶片榫头与轮缘温度场有根本的影响，从而影响整个涡轮结构的热分析。过去对流动与换热特性的大量研究是针对圆管、三角形、矩形或圆环管等规则通道进行的。本文则针对枞树型榫头联接间隙的特殊“Ｓ”型通道中的流动与换热特性作了试验研究。通过水洞流场显示与速度分布特征，发现了它是三维流动，并存在着多流态现象。在紫铜片制成的放大模型上的试验结果表明，榫头间隙中由于存在着复杂的三维流动与多流态现象，没有典型的层流到紊流的转捩点，仅在Ｒｅ＝８０００附近存在一个转变区。用电热膜加热，用热电偶测温度场，保证在等温条件下，测试了该模型的平均换热特性。在充分发展的紊流区，即高Ｒｅ数范围内，其平均换热特性与规则非圆管流的特性类同，而在过渡区则显示出差别。进一步研究多流态下的换热特性对于燃气涡轮的热分析是很有意义的。

转捩对高升力构型数值模拟准度的影响研究

采用两套有代表性的计算网格,研究了流动转捩对高升力构型数值模拟准度的影响。通过对NASA高升力梯形翼构型(NASA-Trap Wing)大攻角范围全湍流模拟、固定转捩位置模拟和自由转捩模拟大量数据的对比分析,表明与实验参考值和全湍流模拟结果相比,考虑流动转捩影响可以有效改善NASA-Trap Wing标模的气动特性预测结果,尤其是俯仰力矩系数;不同方法模拟得到的机翼表面压力分布差别不大,但转捩模型对近壁区速度剖面的预测结果更接近实验值,且减少/延迟了襟翼上表面的流动分离;计算网格对于失速攻角附近计算结果影响较大。