高负荷低压涡轮时序效应数值模拟与试验验证

为了研究上下游叶片的相位对低压涡轮流动的影响机理,使用商用CFX软件进行数值模拟,并辅以试验校核。选取了0°和180°2个流动相差较大的相位,分析边界层分离与转捩、边界层积分参数,对吸力面的载荷系数、壁面剪力、附面层形状因子及动量厚度等进行对比,并从边界层的瞬态流动分析着手,在1个尾迹扫掠周期内对Klebanoff条纹、K-H涡等结构进行分析。结果表明:不同相位的流动特性差异主要取决于势流的压力扰动与速度扰动的相位,这将决定尾迹诱导转捩与寂静区之间的主导关系。当压力扰动与速度扰动同相时,寂静区处于逆压梯度逐渐增强的阶段,保持层流的能力被削弱;反之当二者异相时寂静区强度较大,尾迹诱导转捩带来的湍流损失可以被寂静区平衡。通过瞬态分析可知,0°相位尾迹诱导全展向K-H涡的卷起,全展向涡的破碎会带来较大的能量耗散,且其诱导的Klebanoff条纹强度较大,二者共同作用使得尾缘动量损失较大。

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明:①冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。②斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15~0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16~0.32,垂向分布介于0.2~1.3倍植被高度,纵向分布介于2~6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。③纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。

一种舰船声尾流回波信号建模方法

通过声尾流回波信号模型构建仿真数据是研究舰船尾流的重要方式。文中针对已有模型忽略单个气泡散射回波的不足,提出了一种分区域点散射模型。该模型首先依据不同舰船尺寸、航行速度和海况确定尾流几何模型,进而根据气泡尺寸分布划分尾流为不同散射区域;然后根据收发平台的波束宽度、位置和发射角度确定尾流自导系统作用范围;最后划分尾流自导系统作用范围为有限散射单元,综合考虑传播损失后根据点散射模型计算尾流散射回波信号。仿真和水箱实验结果表明,文中所提模型可用于舰船尾流仿真,并为进一步开展尾流检测和识别提供支撑。

圆柱体绕流尾迹的PIV测量

PIV是一种先进的流场定量测量技术,在生产性风洞中的应用前景非常广泛。利用PIV测量技术,采用双CCD摄像机在FL-5低速生产性风洞中对不同的雷诺数Re下圆柱体绕流尾迹进行定量的测量,给出了圆柱体绕流尾迹的瞬时速度场、涡量场和流场的流线图。通过测量发现剪切层的相互作用是圆柱体绕流尾迹区旋涡形成和脱落的重要因素,并直接验证了Gerrard的绕流尾迹理论;在雷诺数Re=104～105范围内,随着雷诺数的增大圆柱绕流近尾迹区旋涡形成区域长度在逐渐缩短。

植被覆盖对风蚀地表保护作用研究的某些新进展

植被覆盖在风蚀过程中可通过多种途径保护地表土壤 ,减少风蚀输沙 ,对此人们早已有所认识。然而 ,在植被覆盖防护效应的定量研究方面 ,却长期存在着严重不足。近年来 ,国外学术界在植被覆盖保护作用的机理和定量研究等多个方面取得了突破性进展 ,国内却仍处于起步阶段。在大量总结国内外最新文献基础上 ,从理论研究、观测实验和定量模型 3个方面 ,就植被覆盖对风蚀地表保护作用研究的新进展进行了系统介绍和评述 ,并结合当前国内的研究状况和现实需要 ,提出了

建筑物附近气流特征及湍流扩散的模拟试验

用非静力、能量闭合的大气边界层模式对建筑物附近的气流和湍流特征进行了模拟，为了检验模拟结果，将风场和湍流场输入到扩散模式获得了建筑物附近腔区和尾流区内的污染物浓度分布。结果与同样条件下的风洞测试的结果吻合。本文研究结果表明，在来流风速增大的情况下，建筑物下游的尾流区范围变化不大，而腔区范围增大，湍流运动增强。本文所用方法比采用拟合经验公式描述尾流、腔区的特征更能反映不同建筑物、不同来流的影响。

多孔方型人工鱼礁绕流的数值模拟研究

数值模拟得到了5种不同来流速度(0.1～0.8 m/s)下的多孔方型人工鱼礁周围的水流场。过礁体中心的铅垂面上速度分布表明:①不同来流速度下,上升流的最大速度和平均速度均分别为来流速度的0.74倍和0.12倍,上升流最大高度均为礁体高度的2.6～2.7倍,背涡区的长度和高度均分别为礁体高度的4倍和1.25倍;②在靠近礁体背流面形成水流方向与来流方向相一致的透水区。过礁体中心的水平面上速度分布表明:①不同来流速度下,背涡区的长度和宽度均分别为礁体宽度的4倍和1.8倍;②在鱼礁内部形成水流方向杂乱的旋涡区。本研究还初步比较了多孔方型人工鱼礁绕流与无孔方型人工鱼礁绕流的流场效应异同点。

金字塔型人工鱼礁绕流的三维CFD模拟研究

采用CFD技术,仿真研究了5种不同来流速度(0.1、0.2、0.4、0.6和0.8 m/s)下金字塔型人工鱼礁(底面边长和高度均为3 m)的三维绕流场。定量获得了上升流最大高度、上升流最大速度、上升流平均速度以及背涡区尺度等流场效应参数;揭示了礁体周围涡量和压力的分布特征,并得到了水动力大小和阻力系数;对比分析了金字塔型鱼礁与方型鱼礁和三棱柱型鱼礁在上升流和背涡流特征量上的差别。

荧光剂探测植被群尾流区长度

采用荧光剂指示植被群尾流漩涡的运动轨迹,通过拍摄荧光剂运动轨迹视频,运用Matlab工具将视频中的荧光剂运动轨迹转化为数值分布,确定植被群尾流区长度,构建一套尾流区长度荧光探测新技术。该技术得到的结果与传统测量方法结果两者吻合良好。较传统测量方法,采用新技术探测尾流区长度具有简单、快速且准确等特点,可以极大地提高实验效率。

三棱柱型人工鱼礁绕流流场的CFD分析

基于CFD软件平台ANSYS FLUENT,模拟得到了5种不同来流速度(0.1、0.2、0.4、0.6和0.8 m/s)下三棱柱型人工鱼礁(各边长均为3 m)周围的三维水流场。通过速度场模拟结果分析,得到了上升流最大速度点位置、上升流最大高度、上升流最大速度、上升流平均速度以及背涡区尺度等参数;分析了礁体周围的压力分布和背涡区的涡旋结构特征。此外,还初步揭示出三棱柱型人工鱼礁绕流与方型人工鱼礁绕流在流场效应上的异同点。

空间飞行器近尾区内场的塌缩和密度空洞的形成

利用数值模拟计算的方法,研究了运动飞行器与周围等离子体,在近尾区内非稳态非线性相互作用问题,得到了场和密度扰动的分布.结果显示,由于场的塌缩效应,在飞行器的近尾区,形成了可以被探测到的密度空洞和电磁孤波.通过对这种密度空洞和电磁孤波的探测,可以跟踪探测具有隐身特性的飞行器的轨迹.

流线型轴对称钝体尾迹特性及其声激励控制

在Ｒｅ＝３．０×１０３～１．０×１０５的范围内实验研究了流线型轴对称钝体尾迹特性，并采用声激励手段对尾迹进行控制．研究表明，自然状态下流线型轴对称钝体尾涡无量纲脱落频率在Ｒｅ＝５．０×１０４～１．０×１０５的范围内具有普适性，适当频率的声激励可以减小回流区，该结果对工程减阻具有实际应用价值．实验中脉冲热线的成功应用为复杂流场的测量提供了新的技术手段．

空间飞行器近尾区内场和密度的数值计算

利用 Fourier变换的方法 ,研究了运动飞行器与周围等离子体 ,在近尾区内非稳态非线性相互作用问题 ,得到了场和密度扰动的分布。结果显示 ,由于场的塌缩效应 ,在飞行器的近尾区 ,有可以被探测到的密度空洞和电磁孤波形成。通过对这种密度空洞和电磁孤波的探测 。

圆柱尾迹涡的三维演化及结构特征

应用无粘涡丝运动学理论和局部诱导近似(LIA)方法,以Lagrange观点跟踪涡丝在背景流场中运动,用数值方法研究了中等Re数(≈10~3)下圆柱分离尾迹中Kármán涡和涡辫区涡丝的三维演化的机制和动力学过程,及其结构特征。背景流场考虑为尾迹时间平均速度流场和Kármán涡街流场。初始展向小扰动为指数形式和谐波形式。结果指出:Kármán涡和涡辫区中的涡丝具有展向不稳定性,形成流向涡量。在尾迹的初期输运过程中,表现出有序的大、小尺度涡结构。并进一步分析了其产生的机理。

ARJ21飞机尾流遭遇响应研究

为研究ARJ21飞机在实际运行过程中与前机的尾流间隔是否满足国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)标准,有必要建立ARJ21飞机遭遇尾涡空气动力学响应模型,分析其遭遇尾流后的安全性。首先选取超重型飞机A380、重型机A350和A330飞机作为前机建立尾涡耗散及诱导速度模型,针对ARJ21飞机高平尾、尾吊发动机和下单翼的特点,使用条状带法建立其空气动力学响应模型并进行仿真求解,分析其升力、高度和滚转力矩变化规律;然后选取滚转力矩系数作为安全性指标,对ARJ21飞机在ICAO尾流间隔标准下的运行安全性及未来尾流间隔进一步缩减的潜力进行分析。结果表明:ARJ21飞机在ICAO尾流间隔标准下,遭遇超重型飞机的滚转力矩系数小于0.5,遭遇重型机的滚转力矩系数小于0.31,运行标准满足安全性需求;当滚转力矩系数介于0.031~0.07时,ARJ21飞机跟随A380的临界安全间隔为9021~11960 m,跟随A350的间隔为6791~8736 m,跟随A330的临界间隔为6486~7842 m。

空间飞行体远尾区内场和密度的非稳态非线性计算

对空间飞行体远尾区内等离子体与场之间非稳态非线性相互作用的耦合方程,在考虑了时间导数项后,进行了数值模拟计算.计算中考虑到场量具有轴对称的特点,利用二维三分量的初始条件,采用FTCS有限差分格式方法,得到了场和密度扰动的分布.结果表明,这种非线性相互作用也会引起场的塌缩并出现密度空洞,但塌缩的速度较快.通过对密度空洞变化的探测,可以对隐身飞行体进行跟踪探测.

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究。实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ（δ为边界层厚度）处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y^＋=10-1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性。发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论。

Spar平台涡激运动响应分析

针对Spar平台的刚体特性,建立了Spar平台与尾流阵子之间的耦合运动方程,利用该方法首先对一模型平台进行了数值验证,计算得到的锁定区域与实验测得的结果吻合良好。其次对一真实的Spar平台进行了计算,并得到Spar平台和尾流阵子的时间历程曲线。

悬索桥吊索尾流致振的气弹模型测振试验

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了光滑双吊索试验模型,进行了尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2.5-11、横风向Y=0-4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5.25,Y≤1.5的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式包括两种类型:单自由度直线运动和双自由度椭圆运动,其稳定运动频率分别稍大于和小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;阻尼比增大可增加起振风速,但对振幅大小影响不大。

计算跨声速机翼尾涡流自适应区域方法

本文利用自适应区域方法调节机翼后每个Ｔｒｅｆｆｔｚ平面上的计算域，使得尾涡对这个计算域边界的影响足够小，从而提高了计算的精度和时间。考虑到间断面的影响，在尾涡面上引入有旋项对流场进行计算。椭圆载荷机翼计算表明本文计算结果与经典Ｂｅｔｚ理论一致。用本文方法对某轰炸机进行了计算，计算结果已用于预计其实际飞行的尾涡面。