尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。

基于合成射流控制技术的高负荷压气机叶栅流动特性研究

数值研究了合成射流控制高负荷压气机叶栅非定常流动分离的效果及机理。结果表明,激励频率、幅值是影响合成射流控制效果的重要参数,当激励频率为最优值、幅值大于某一阈值时,叶栅时均总压损失系数最大降低40.3%,静压升系数提高12.1%。合成射流的动量注入显著增大了激励缝下游流场的湍流剪切应力,使得剪切层内的速度脉动增强,在宏观上表现为近壁区域与主流流体间的动量交换得到加强,这是非定常流动分离得到抑制的主要原因。

高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

激波/湍流边界层干扰是高速飞行器表面常见的一种流动现象。当前高超声速飞行器的飞行马赫数不断提高,在头部激波后的高温环境中空气可能发生离解,出现高焓激波/湍流边界层干扰。相比于完全气体,高焓流动中化学非平衡效应可能与湍流、激波发生强烈的耦合作用,使流动情况变得更加复杂,目前相关研究较少,缺乏对此类流动的深入认识。选取高超声速楔形体头部斜激波后的高焓流动状态开展高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟,并与相似工况的低焓流动对比,研究高温化学非平衡效应对流动分离的影响机制和组分扩散带来的影响。结果表明:高温化学非平衡效应对雷诺应力分布和湍动能输运过程的影响不明显;对流动分离影响显著,高焓流动的分离区远小于低焓流动,这可能是来流边界层动量增大和分离泡密度增大共同作用造成的。流动分离非定常分析表明高焓工况流动分离状态为瞬变分离,而低焓工况为平均分离;两者回流面积中的能量都以中低频为主,但低焓工况低频能量占比更大。进一步对高焓工况干扰区内的流向速度脉动和O组分质量分数脉动进行特征正交分解分析,发现分离泡变化过程中的能量主要集中在剪切层,这与低焓流动一致;气体组分的能量模态在分离激波处最高,表明激波是引起组分脉动的主要原因。

基于k-kL两方程湍流模式的尺度自适应模拟

k-kL两方程模式是一种对湍动能积分尺度输运方程模化的新型湍流模式,具有尺度自适应模拟的特性,能够在统一的表达形式下对流动进行定常和非定常数值模拟。引入可实现性修正,在二维零压力梯度平板边界层中验证其影响,进而选择典型流动的标准算例对这一模式进行较为全面的评估。通过三维CRM翼身组合体绕流算例验证了该模式应用于工程问题的实用性,并考察了网格密度对计算精度的影响。在周期山的三维非定常计算中,k-kL模式能够较好分辨流场中丰富的涡结构,准确捕捉流动大规模分离区的位置和形状,统计平均的表面摩擦力分布和速度场与实验和大涡模拟结果符合良好。上述计算展示了k-kL两方程模式在定常和非定常计算中的流动预测能力和工程应用潜力。