基于TR-PIV的俯仰翼型流动结构实验

翼型俯仰过程中流动结构演化复杂,呈现为多种类型涡之间的相互作用。基于时变粒子图像测速技术(Time Resolved Particle Image Velocimetry,TR-PIV),对雷诺数Re=3.0×10^(5),减缩频率k=0.03条件下,俯仰翼型近壁面流动结构的时空演化进行定量研究。分析结果表明:在上仰和下俯阶段的相同攻角下,下俯阶段的分离点位置更靠近前缘,剪切层不稳定性强于上仰阶段,这种差异与前缘壁面法向速度相对于来流的速度有关;下俯阶段,流场中观察到了沿着吸力面向后缘发展的逆时针旋转二次涡,二次涡促进了顺时针旋转的展向涡脱落,并与展向涡融合,使流场发生剧烈变化;上仰阶段,观察到前缘涡(Leading-edge Vortex,LEV)和剪切层涡(Shear Layer Vortex,SLV)2种不同类型的涡结构,两者在空间位置、结构形态、输运速度等方面存在差异,但也存在联系,剪切层涡促进了前缘涡的发展,前缘涡之间的相互融合形成了大尺度的动态失速涡(Dynamic Stall Vortex,DSV),动态失速涡的发展也受剪切层涡的影响。

INVESTIGATION OF DOMINANT FREQUENCIES IN TRANSITION REYNOLDS NUMBER RANGE OF FLOW AROUND A CIRCULAR CYLINDER PARTⅡ: THEORETICAL DETERMINATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN VORTEX SHEDDING AND TRANSITION FREQUENCIES AT DIFFERENT REYNOLDS NUMBERS

An attempt has been made to explore whether the power relation can be obtained from theoretical considerations. The classical laminar and turbulent boundary layer concepts have been employed to determine appropriate values of the scaling lengths associated with vortex shedding and shear layer frequencies to predict the power law relationship with Reynolds number. The predicted results are in good agreement with experimental results. The findings will provide a greater insight into the overall phenomenon involved.

波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式;基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽,通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭,并采用TruVOF方法捕捉自由液面,开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟,探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响,分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性.结果表明,在本文研究工况范围内,沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小,随开孔率的增大而增大,周期对沿程平均波高的影响没有明显规律;当B/D=9,e=23.11%时,新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优,反射系数在0.4~0.46之间,透射系数在0.3~0.35之间,耗散系数在0.8~0.85之间;自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因;相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化,从而导致不同的紊动特性,影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性.研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.

横向射流动态流场特征的高帧频实验研究

在横向射流流场中,各种涡结构运动对射流轨迹变化和标量混合有着决定性影响,但目前仍然缺乏输运过程中剪切层涡高频动态特性的相关研究。本文基于40 kHz高频粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术和20 kHz丙酮平面激光诱导荧光(Acetone Planar Laser Induced Fluorescence,Acetone PLIF)技术研究了不同直径喷嘴、不同速度比下的横向射流高频动态流场特征和标量场浓度分布规律,以及湍流细微结构的形成和破碎过程。速度场和标量场的实验测量表明增大速度比对回流区的生长起促进作用;通过拟合得到了射流轨迹、速度分布及剪切层涡运动轨迹方程,射流速度沿轨迹呈指数下降,剪切层涡强度与涡运动频率也呈下降趋势,且迎风侧剪切层涡运动频率略低于背风侧;随着射流速度增大,剪切层涡运动频率逐渐增大,斯特劳哈尔数降低。

平面可压基频涡卷非线性演化行为数值研究

采用高精度迎风／对称紧致混合差分算法，对可压自由剪切层转捩区中的几种典型展向 大尺度涡作用型态进行了直接数值模拟．通过施加给定来流条件下的线性最不稳定动性基频扰 动及其亚谐扰动，以被动守恒标量技术给出了基频涡卷的饱和、撕裂、融合以及三涡对并等细 节结构．分析显示，亚谐扰动相差是促生基频涡卷不同非线性演化过程的重要因素之一，可对 扰动能量的发展变化，以及剪切层厚度和混合效率产生直接影响．计算结果同实验流动显示图 像十分相似，表明了主导线性扰动的非线性耦合效应与一些实际涡作用行为间的内在联系．

激波在异种气体中传播及诱导的剪切混合研究

利用二阶迎风TVD格式求解多组分、层流全N_S方程· 针对直通道和突扩直通道 ,研究了马赫数为 2和 4的激波在H2 和空气界面上的传播及诱导的燃料剪切混合· 计算结果表明 :( 1)直通道中 ,剪切层中的激波阵面要发生畸变 ,存在对混合起主要作用的卷吸涡 ,激波马赫数不同 ,卷吸涡结构和横向混合的尺寸也不同· 激波马赫数低 ,剪切混合效果好· ( 2 )在突扩直通道中 ,马赫数为 2和 4的激波在H2 中产生不同强度激波 ,在剪切层中都能产生顺时针、尺度较大的卷吸涡 。

再附着剪切层中的大涡结构

在空气流动中利用流场显示技术对二维后向台阶流动的分离和再附着剪切层中的大涡结构作了实验研究。发现当分离前为层流边界层时,分离后有一平直段,其长度随来流速度和台阶高度的增大而缩短。剪切层的发展受层中大涡支配,涡脱落频率随来流速度的提高而加快。在再附着点之前有涡的归并现象出现。再附着长度与台阶高度的比值仅与来流速度有关。再附着点附近涡的尺度与台阶高度相当。大涡碰壁后有时被撕裂成两个,有时被撞碎,有时弹离壁面向下游运动。流动很不规则,难以预测。

基于声涡转化对穿孔板切向流效应的研究

建立了一种有关切向流对小孔声阻抗影响的小扰动势流模型,其要点是使用法向质点速度连续而非广为采用的质点位移连续边界条件来匹配小孔剪切层两侧的声场,并在小孔前缘施加 Kutta条件以反映切向流效应的机理——锐缘处的声涡转化;模型中还考虑了实际应用中经常遇到的小孔形状和穿孔板厚度两个重要因素.理论预测的声阻和声抗与实验结果吻合良好.

脉冲射流声场的直接计算

为了探讨亚声速射流气动声场中的主要噪声源以及声波产生机理,基于大涡模拟方法与高精度加权本质无振荡混合格式,对亚声速脉冲射流初始流场的发展过程进行了数值模拟,并根据得到的动力学流场对气动声场进行了直接计算。数值结果描述了射流剪切层在KelvinHelmholtz不稳定作用下失稳卷起小涡序列以及相邻小涡间相互旋转合并现象,并发现脉冲射流场的主要声源包括由前导压缩波形成的脉动噪声源、涡合并形成的四极子声源以及涡核内因涡卷起、变形与破碎所形成的湍流混合噪声源。其中,脉动噪声源最强,而涡合并所产生的四极子声源在整个声场中占主导地位。

绕锥头回转体通气超空化流场结构研究

采用实验与数值计算的方法对绕锥头回转体通气超空化流场结构进行研究。为捕捉通气空化空泡区域内复杂的旋涡结构,数值计算采用滤波器湍流模型;为更加细致地描述空泡区域内的流场结构,应用欧拉和拉格朗日两种分析方法对空泡区域的流场进行分析。研究结果表明:超空化形成以后,从通气孔出流的气体沿着水气相交界面向空泡尾部流动,到达空泡尾流区后,部分气体直接脱离空泡区域向下游发展,部分气体在反向射流的作用下补充到空泡区域内部;原本存留在空泡中前部的气体在空泡内部做不规则运动,不能脱离空泡区域;空泡尾流区的部分流体脱离空泡区域形成脱落空泡团,部分流体在反向射流的作用下在空泡区域作旋涡运动。

完全湍流剪切层对圆柱涡激振动特性的影响

为研究完全湍流剪切层(2×10~4~4×10~4<Re<1×10~5~2×10~5)下雷诺数对涡激振动动态响应的影响,在OpenFOAM平台下采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用二阶范德波尔方程描述二维圆柱体涡激振动,对完全湍流剪切层下的圆柱绕流涡激振动进行数值计算,分析涡激振动的振幅、频率特性,并在Williamson-Roshko(W-R)图谱中分析旋涡尾迹脱落模式.结果表明:在相同折减速度下提升雷诺数时,圆柱振幅会显著增大,最大振动振幅值高于自由剪切层过渡旋涡区结果及修正Griffin图谱结果.雷诺数对提高圆柱的涡激振动振幅和同步区的范围具有决定性作用,在完全湍流剪切层中,当提升阻尼参数(α≥0.38)时,涡激振动的上部分支消失,振动频率出现"阶跃".

平面自由剪切层三维离散涡丝的数值模拟

本文用离散涡丝方法对平面自由剪切层进行数值模拟，给出了初始展向涡丝随空间发展所形成的成对反转流向涡以及涡卷起和涡丝合并的图案，分析了流向涡产生的根源，得到了剪切层的速度剖面，给出了不同速度差与对流速度比之下涡丝的演变特点。

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中,高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的,激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变,优化超声速剪切层光学性能,提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法,讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He/Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层,以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。

扭曲圆柱绕流特性的大涡模拟

为了有效抑制涡激振动对海洋平台和立管的破坏,需要对圆柱尾涡绕流特性进行进一步研究。本文采用大涡模拟方法对雷诺数Re=28712时不同扭曲角度α的扭曲圆柱湍流流动进行了数值模拟。通过与光滑圆柱计算结果对比得知,α=40°时扭曲圆柱对阻力与升力的抑制效果最好,相应的涡形成长度显著增大,同时圆周表面最小压力系数要大于光滑圆柱,也为圆柱提供了更大的阻力减额。扭曲圆柱湍流动能分布以及尾流涡结构表明:其分离剪切层及尾涡脱落位置的延伸长度要大于光滑圆柱,且近尾流区的涡量值及涡波动幅值也减小了,这也最终直接导致圆柱阻力及升力波动幅值的减小。

混合层流动发展规律的数值模拟

采用扩散速度法处理粘性作用项的离散涡方法对混合层流动的发展规律及剪切率对混合层流动发展的影响进行数值模拟。计算结果表明混合层厚度沿流向线性增长 ,混合层流动中大尺度涡结构间的合并是混合层厚度增长的主要因素。混合层厚度及其增长率随剪切率的增加而增大。

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。

自由剪切层中离散涡的运动学特性

本文采用离散涡方法,数值模拟了二维自由剪切层流动中离散涡团的演变过程,共包含一千多个平板脱落离散涡和八十个替代平板的离散涡的计算,两股流动速度差为6m/s。计算结果表明:在剪切层流场沿下游的不同位置上,离散涡团有着不同的合并形式。

海底管道悬跨段的近壁圆柱绕流分析

海底管道靠近海床表面处受海流冲刷,管道与海床表面产生一定间隙,该间隙与管道直径的比值定义为间隙比。通过数值模拟和物理模型试验,研究间隙比对管道绕流的水动力特性的影响。物理模型试验中,六分力天平测得管道的阻力和升力,数值模拟研究管道尾流流态和旋涡发放频率。结果表明:间隙比低于某临界值时,海床的存在阻碍了剪切层与层外流动间的相互作用,抑制层内涡量的传递,下游旋涡得不到充分发展,发放频率有所降低;海床壁面加剧管道两侧压力分布不均匀,压力差增加,因而管道阻力和升力增大;间隙比高于某临界值时,海床的抑制作用逐渐削弱,旋涡脱落趋于规则,海床未对绕流产生较大影响,管道受力随之趋于稳定。该研究可为海流冲刷引起的海底管道悬跨现象的安全设计提供理论指导。

不同隔板构型下的超声速混合层流场特性

利用实验和数值仿真相结合的方法,对Ma1=1.5,Ma2=2.5,T0,1=300K,T0,2=1200K,压力匹配(p1=p2=86kPa)条件下的超声速混合层在不同隔板构型下的流场特性进行了研究。实验中发现在隔板上开凹腔对于混合层具有一定的混合增强效果,且凹腔长深比越大,这种效果越显著。对于尾缘交错分布的隔板,混合层流场显现出强烈的非定常性,且极大地增进了混合。通过相应的数值仿真发现,凹腔隔板的增混机制在于凹腔剪切层的再附着,而交错隔板则在于促进了大尺度流向涡的产生。