风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG(consistent discretizing random flow generation)方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明:翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后,吸力面上的压力脉动只在低频区域对湍流来流有响应,而高频处的压力脉动取决于自身的流动特性。研究结果可为降低机组功率波动和非定常载荷提供参考。

高超声速主流中横向喷流干扰非定常特性研究

脉冲发动机产生的横向喷流往往伴随着非定常效应,由于其持续时间非常短,给流场模拟和测量带来很大的困难。目前在地面设备中难以进行精确的试验,本文采用数值模拟方法对横向喷流的非定常效应进行了研究。重点对发动机启动和关车过程中典型时刻的流场进行了细致的刻画,分析了流动参数和模型气动力系数的动态变化过程,并给出了喷流压比和攻角变化所带来的影响。研究表明,喷流启动和关闭过程中,飞行器所呈现出的动态气动特性与稳态喷流时有着明显的差异,尤其是压心位置和法向力系数将发生显著的变化。在飞行器设计中,必须从安全控制的角度出发,考虑这一非定常效应的影响。

前置定子叶片周向弯曲对导管桨非定常特性的影响

采用数值计算方法研究了均匀来流下定子叶片周向弯曲对前置定子导管桨非定常特性的影响。首先通过对比计算结果和试验结果,验证了数值计算方法的可靠性。再采用该方法对不同型式的定子周向弯曲开展了非定常力分析。计算结果表明,定子弯曲对效率影响不大,但是对非定常特性影响明显。转子推力脉动峰值频率为叶频及其倍频,定子周向弯曲后转子推力脉动幅值均减小,后弯10°时转子推力脉动幅值降低46%。

绕三角翼流态中的某些定常与非定常特性研究

利用流动显示及片光技术,对绕三角翼流动中的某些非定常特性进行了研究。首先在涡面剪切层中发现了两种不同的小涡结构。进而对涡破裂点脉动做了系统的观测,发现在破裂点很靠近顶点的迎角下,脉动主频突然增大。此外还对三角翼涡破裂形态做了细致的分析,提出了泡状破裂在一定程度上可以看成螺旋破裂并给出了实验结果,提出了三种特殊的破裂形态。

基于外场风力机翼型的非定常特性研究

以测绘的外场真实叶片为研究对象,截取有代表性的叶尖和叶根翼型,对比研究其非定常特性。结果表明:运行在小攻角(2.93°)下的叶尖翼型,由于其表面相对较大的粗糙度和增大的尾缘厚度联合作用诱导出极其复杂的旋涡结构,使其升阻力系数呈现周期性变化规律、压力呈现复杂的动态分布形式;而叶根翼型由于其大功角(11.273°)运行和增大的尾缘厚度联合作用,导致气动力出现非定常变化,流场出现强烈的大尺度旋涡结构;说明同一叶片表面粗糙度不同、运行攻角及尾缘厚度不同,会在不同翼型断面诱导出不同的旋涡结构,导致叶片出现复杂的非定常气动特性。

脉冲频率与幅度对两级涡轮非定常特性的影响

涡轮复合技术中脉冲排气对两级涡轮性能产生显著影响。为探明脉冲来流下两级涡轮非定常特性,该文基于三维非定常流动仿真模型研究了排气脉冲频率与幅度的影响。模型中,高压级涡轮内流动采用全通道模拟以考虑蜗壳引起的非对称流动,低压级涡轮内流动采用单通道模拟以提高计算效率。结果表明,当脉冲频率从40 Hz增加到120 Hz,高压级涡轮瞬时功率峰值显著增大15.4%,而低压级涡轮瞬时功率峰值变化在1%以内;随脉冲幅度增大,低压级涡轮效率下降幅度比高压级涡轮更大,当脉冲幅度系数为1.6时,高、低压级涡轮转子效率分别下降3.66%和8.09%;低压级涡轮转子从叶中到叶尖处的进口流动攻角在脉冲周期内大幅度变化,引起叶片前缘处产生显著流动损失。

类车体尾迹流动非定常特性

通过与已发表的数据相比对,对大涡模拟方法的有效性进行验证.采用该数值方法对高雷诺数下25°后倾角Ahmed类车体背部斜面及尾部垂直面处尾迹区的流动进行解算.通过对背部斜面处分离泡、背部斜面侧边"C柱"处卷起的拖曳涡对及尾部垂直面处回流区流场信息的采用及相关频谱特性分析,研究并明确了尾迹区起主导作用的大尺度相干结构及运动的非定常特性.在流动的不同区域,类车体尾迹区流动的非定常特性不尽相同,主要体现为背部斜面分离泡的拍击振动具有绝对不稳定性特征,由KelvinHelmholtz(KH)不稳定性诱发的大尺度相干结构具有对流不稳定性特征;两侧"C柱"拖曳涡对在背部斜面上与展向涡相互耦合,具有较好的对称性;拖曳涡对在垂直面处回流区内与该区展向涡相互混掺,但无耦合作用且不具有对称性;垂直面处回流区内上、下侧剪切层卷起的展向涡以类似卡门涡街形式交替产生并脱落;高雷诺数时,整个尾迹区流动的特征频率趋于一致.

复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响

为了研究长中短复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响规律,基于CFD技术对某型燃油离心泵进行了非定常数值模拟。首先,分别建立原型方案和带有长中短复合叶片的优化方案的离心泵三维模型和网格模型。其次,基于RNG k-ε湍流模型,对两个方案中泵内流动非定常特性进行数值计算。仿真结果表明:长中短复合叶片减弱了叶轮流道内的大尺度漩涡,降低了叶轮的出口滑移,使得压力分布更加均匀。同时,叶轮与隔舌的动静干涉造成了蜗壳内一定程度的压力脉动产生,且长中短复合叶片的压力脉动幅值相对较低。另一方面,小流量工况下,优化方案中离心泵的增压值为12.9MPa,效率为26.9%,比原型方案中离心泵的增压值和效率分别提高了3.5%和2.6%。

热力学效应对水翼云空化非定常特性的影响

为了探究热力学效应对绕翼型云状空化非定常特性的影响,应用数值模拟的方法,分别从翼型周围温度场、空泡半径、当地空化数的角度分析了不同水温下热力学效应对空化发展的影响.依据模型试验使用的物理模型建模,采用考虑热力学效应的空化模型和基于密度修正的湍流模型(DCM)对攻角α0=8°的水翼进行非定常云状空泡的数值求解,计算得到的空泡形态与试验结果吻合度较高.空化发生时,蒸发吸热使空泡内部温度降低,水体饱和蒸汽压力下降,空化的发展被抑制,最终附着空泡区域变小、变薄.同时,随着水温的升高,空泡半径减小,空泡扩散加剧,空化区域更加模糊.由于流场温度变化会导致流体物理性质的改变,因此采用考虑温度变化的当地空化数σ(T)可以更直观地反映流场温度变化对空化发展阶段的影响.

水泵水轮机导叶水力矩非定常特性研究

活动导叶水力矩大小及机组运行过程中水力矩变化情况对导叶轴及导叶保护装置的设计十分重要。本文采用数值模拟的方法研究了水泵水轮机在正常发电工况下导叶的水力矩特性。分析了流场的非定常性对导叶水力矩的影响。采用快速傅里叶变换(FFT)的手段分析了导叶水力矩的频率成分及相邻导叶水力矩间的相位关系。结果表明,随着导叶开度的增大,导叶水力矩从正值变为负值,这使得导叶由自关趋势转向自开趋势。转轮对导叶的动静干涉使得导叶水力矩呈周期性变化。相邻导叶的水力矩变化存在相位差,这反映了转轮旋转引起的导叶水力矩的规律性变化。

平地横风环境动车组非定常气动特性的试验研究

在定常横风环境影响下,动车组在平地工况运行的稳定性、舒适性及安全性将会恶化。为了揭示其恶化的机理,开展动车组在平地工况伴随定常横风下运行的风洞试验,得到列车表面压力随时间变化的曲线后,再对列车受到的非定常气动载荷时域特性和频域特性进行分析。风洞测试结果表明:在相同风速和同一风向角下,平地动车组车体表面迎风侧1~8号测点和背风侧9~16号测点,其同侧各测点压力平均值在一定范围内波动,总体相差不大。当风向角为90°时,测点压力的幅值和最值随风速的增大而增大,其平均值与风洞来流风速的二次方成正比,即非定常气动压力振动剧烈,波动幅度明显增大。当合成风风速为60 m/s时,测点气动压力的平均值、最小值和最大值随风向角增大呈现先增大后减小的趋势,呈现正弦函数变化规律;当风向角增加到75°时,出现拐点,即最值点;车体表面两侧测点的幅值随风速的增大而增大,即非定常气动压力振动剧烈,振动幅度明显增大。而横风风速和风向角对非定常气动载荷的主振动频率带的影响不大;车体中部两侧测点的频率峰值均集中在0~18 Hz范围内,主振动频率均集中在0~4 Hz区间内,还明显存在频率为4~6 Hz,6~8 Hz和10~14 Hz的3个频域带。研究结论可为高速动车组、城际动车组的车体设计提供理论依据和数据参考。

三维水翼云空泡非定常特性数值分析及试验验证

采用Singhal空化模型和修改的κ-εRNG湍流模型,数值模拟了三维扭曲水翼非定常空泡流动及其云空泡的动态脱落,空泡形态、流场等定性结果与相应的试验结果进行了比较。预报的回射流和侧射流的流动特性,以及云空泡的动态脱落的主要特征与试验结果相一致。计算结果表明,对于外形为凸形的片状空泡,侧射流是片状空泡脱落的主要原因。

跨声速压气机转子叶尖泄漏涡非定常特性数值研究

为了研究跨声速单转子压气机系统叶尖泄漏涡的非定常特性,选取Rotor 67孤立转子为研究对象,针对不同背压工况与不同转速工况进行了非定常数值模拟。结果表明:在每一转速状态都存在一非定常边界,其将特性线分为定常部分和非定常部分。当转子运行在特性线非定常部分时,随着背压提高,叶尖泄漏涡脉动频率逐渐减小。这是由于背压提高使叶尖前缘负荷变小,叶尖泄漏涡的驱动力也变小。叶尖泄漏涡的频率特征与转子转速息息相关。高转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出低频特征,低转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出高频特征。这是由于转速不同,叶尖激波的脱体程度不同,激波对于叶尖泄漏涡的激励位置也不同。由非定常叶尖泄漏涡引起的压力波的周向传播速度在各转速下表现出较强的规律性。随着流量系数的减小,压力波波速呈线性减小趋势,且各转速下减小的速率大致相同。且在波速-流量系数曲线中,各转速的非定常状态起始点基本位于同一条直线。

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量,揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性,这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明,对于未破裂的边条涡,存在着两种非定常特性,其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡,则发现与未破裂的涡相比,截面上涡量分布的区域突然扩大很多,最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量,这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。

跨声速转子机匣孔式非定常抽吸扩稳机理研究

为了研究跨声速转子机匣孔式非定常抽吸的扩稳机理,以Rotor 37为研究对象,针对机匣孔式抽吸方案进行了非定常数值对比研究,探讨了抽吸前后转子总性能和失速裕度的变化规律,详细分析了近失速工况下转子的三维流场结构,建立了相应的动叶通道内涡结构模型;此外,进一步分析了非定常抽吸对叶尖流场非定常特性的影响。结果表明:采用机匣孔式抽吸可实现对叶尖泄漏流的有效控制,在保证转子效率的同时,将近失速工况的转子压比提升2.1%,失速裕度提升6.86%;非定常抽吸使得近失速工况下叶尖泄漏涡的尺寸明显减小,改善了叶尖区域流场的非定常特性,缓解了流场内的二次流流动堵塞,提升了转子叶尖流场的稳定性。

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。

飞行器变后掠过程非定常气动特性形成机理

可变体飞行器变后掠过程中的时变气动力与力矩特性对于飞行安全具有重要意义,是亟待深入研究的基础问题.通过风洞实验对其开展了研究,揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素.基于风洞实验结果和力学中一些重要概念,提出了3种物理效应:流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应,以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理.除了能解释实验现象,这一机理研究亦可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模.

滑动蒙皮变后掠无人机非定常气动特性研究

为了探索飞机变形过程中的非定常气动特性及其机理,基于滑动蒙皮变后掠无人机这一可变形飞行器大尺度全局变形研究平台,通过风洞实验对其进行了非定常气动特性研究。结果表明:无人机变后掠过程中非定常气动特性曲线在相应的准定常曲线周围形成滞回环;无人机变后掠速率越快,滞回效应越显著;无人机以约7.5°/s的速率变后掠,会使非定常气动特性数值偏离相应的准定常数值5%以上;变后掠无人机非定常气动特性产生的主要原因可能在于流场结构迟滞和机翼附加速度。

绕水翼空化非定常的动力特性

采用试验的方法研究绕水翼空化流动的非定常流体动力特性。试验在一闭式空化水洞针对一Clark-y型水翼进行。采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态;应用自开发软件分析空穴形态随时间的变化;测量翼型所受的升阻力和升力方向的加速度;对上述的数据进行频谱分析。试验结果表明,绕水翼空化流动中,空穴形态及其对应的动力特性随时间的变化过程存在两种不同的模式。当4<σ/2α<6时,空穴平均相对长度为l/c<0.7,由空穴形态和升力系数得到的功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数大于0.3;当σ/2α<4,空穴平均相对长度为0.7<l/c<1.0,绕水翼空化流动呈现明显的非定常性,翼型吸力面出现了大量空泡团周期性的脱落,升力系数功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数在0.18左右,空泡团脱落频率不随空化数的变化而改变。

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明:在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。