我国流体力学青年学者的一些研究与思考

1引言自1986年以来，国家自然科学基金委员会对力学学科的发展给予了长期、稳定的支持，在出成果、出人才方面取得了可喜的进展．不少青年学者已成为力学研究的骨干或某一分支的学术带头人．在力学学科的内部，由于各分支学科的特点不一，发展还不平衡．由于流体力学研究?..

计算流体力学中的网格生成方法及其应用

讨论了多种网格生成方法及其流场的数值模拟。给出了一种生成现代双立尾战斗机外形的分区对接网格和Ｅｕｌｅｒ方程分区解。给出了一种带副翼偏转的三维机翼分区网格及绕流的Ｅｕｌｅｒ方程解。以二维多段翼型为对象分别讨论了分区重叠结构网格方法、非结构网格方法和自适应的笛卡尔网格法。

微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗

用数值模拟方法研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。由N S方程的数值解提供速度场和压力场 ,从而得到涡量、气动力和力矩 (惯性力矩用解析方法计算 )。基于流场结构 ,解释了非定常气动力产生的原因 ;基于气动力和力矩 ,得到需用功率。悬停飞行中揭示出的 3个非定常高升力机制 (不失速机制 ,拍动初期的快速加速运动 ,拍动后期的快速上仰运动 )在前飞时仍然适用 (即使在快速前飞时 ,V∞ =2～ 2 5m/s,失速涡也不脱落 )。在低速飞行时 (V∞ ≈ 0 5m/s)平衡重量的升力既来自于翅膀的下拍运动也来自于上挥运动 ,并主要由翅膀的升力贡献 ;克服身体阻力的推力主要来自于翅膀的上挥运动 ,由翅膀的阻力贡献。在中等速度下 (V∞ ≈ 1 0m/s) ,升力主要来自于下拍运动 ,其中一半由翅膀升力贡献 ,一半由翅膀阻力贡献 ;推力主要来自上挥运动 ,也是一半由翅膀升力贡献 ,一半由翅膀阻力贡献。在快速飞行时 (V∞ ≈ 2 0m/s) ,升力主要来自于下拍运动 ,主要由翅膀阻力贡献 ;推力来自上挥运动 ,主要由翅膀升力贡献。悬停时 ,下拍和上挥做功同样大 ;前飞时 ,下拍做功较上挥大得多 :V∞ =0 5 ,1 0和 2 0m/s时 ,下拍做的功分别是上挥的 1 6,2 6和 3 5倍。果蝇在悬停飞行时 ,比功率 (单位身体质量的需用功率 )约为

动物飞行的流体力学

动物飞行的流体力学研究动物外部表面在流体中运动时产生气动力的规律．昆虫、鸟和兽（蝙蝠）的飞行是由作用于其上的气动力所决定的．匀速飞行时，作用于动物的气动力决定了其运动速度和所需的能耗；运动受到扰动时或动物希望作机动运动时，气动力随时间的变化特性决定了运动的稳定性和机动性．运动速度的快慢，运动效率和持久性，以及运动的机动性与攫取食物、逃避敌害、追求配偶等生存需要密切相关．因而，了解动物外部表面产生气动力的机制和规律，是研究相关动物的比较生理学、行为学、生态学及进化的基础．这些机制和规律也可为发展新型飞行器提供仿生学指导．

并行计算机和计算流体力学并行算法

对研制计算流体力学高效并行算法及软件具有重要意义的并行计算问题提出了导引性的看法．首先综述了并行计算机的主要设计特征并简要描述了市场现有的几种并行系统．接着介绍了一些有关研制并行算法及评价其性能的重要概念．然后讨论了如何使分布式内存并行计算机的运行负载不平衡和通信开销达到最小．最后列举了计算流体力学某些算例的测试结果．本文的重点是结构网格和分程序结构网格的应用。

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNGk-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。

蜜蜂悬停飞行控制的仿生力学研究

研究蜜蜂悬停飞行的控制问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅体的控制导数;用特征模态分析方法分析控制特性。文中δu,δw,δq和δθ分别为水平方向速度,垂直方向速度,俯仰角速度和俯仰角度的扰动量;δΦ和δ分别为拍动幅度和拍动平均角增量;δα1表示上、下拍迎角同时增加的增量;δα2表示下拍迎角增加(或减小)而上拍迎角减小(或增加)的增量。获得以下结果:(1)悬停飞行时,改变Φ和α1主要产生垂直力的变化;改变主要产生俯仰力矩的变化;改变α2主要产生水平力及俯仰力矩的变化。(2)蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态,快衰减模态和慢衰减模态;为实现稳定的悬停飞行,不稳定振荡模态和慢衰减模态需要控制。为控制不稳定振荡模态,以δ(或δα2)反馈δu,δq和δθ这3个量的某种组合便可;为控制慢衰减模态,以δΦ(或δα1)反馈δw便可。这就是说,该昆虫只需用控制变量δΦ和δ(或δΦ和δα2,δα1和δ,δα1和δα2),便可稳定地悬停(当然也可4个控制变量都用)。

微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解NS方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。

流体力学青年学者的一些研究进展

50年代,钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀等老一辈力学家开创了我国的力学事业。历经几代力学工作者们的努力,使力学得到了可喜的进展,对推动我国航天、航空、水利工业等的进步起到了积极、重要的作用。特别是改革开放以来,在国家自然科学基金的持续支持下,通过广泛的国际学术交往,吸收国际先进的研究成果,我国力学在基础研究和应用基础研究方面取得了丰富的科研成果,一代青年学者迅速崛起,在一般力学、固体力学、流体力学和力学的交叉领域形成了老中青相结合的研究队伍。 世纪之交,我国的科技界正经历着前所未有的变革,这无疑对我国的科研队伍产生重大影响。继承老一辈流体力学家们的事业,开创流体力学研究的新局面,已是年轻一代流体力学学者们义不容辞的责任。为此。

沟槽面湍流边界层结构实验研究

应用激光测速技术和氢气泡流动显示技术对沟槽面湍流边界层特性及近壁区拟序结构特征进行了精细的测量和观察实验结果表明：与光滑面湍流边界层相比，沟槽面湍流边界层的黏性底层厚度、过渡层厚度及流速分布对数公式中的积分常数Ｃ均有所增大，说明采用的沟槽面具有减阻特性．此外，无量纲低速带条间距明显减小，最多减小２０％；

大上翘角机身后体流动机理研究

通过对圆截面上翘 1 6°的后体的数值计算 ,研究了上翘后体的流动机理。结果表明 ,上翘后体引起横向流动 ,使横向逆压梯度增大、下表面边界层增厚 ,导致后体出现三维开式分离流动 ;由分离形成一对方向相反、强度相等的旋涡向下游拖至尾迹区 ;这种分离流动是导致大上翘角后体阻力增加的主要原因。

空心微珠填充聚丙烯复合材料的研究

研究了空心微珠含量、粒径以及改性剂对聚丙烯复合材料性能的影响。研究结果表明 ,当空心微珠填充量在 0 -30 % (质量 ,下同 )之间时 ,空心微珠 /聚丙烯复合材料的常温和低温下的缺口冲击强度、拉伸性能、弯曲性能都显著提高 ,当加入改性剂时 ,提高得更加显著。当空心微珠含量为 2 0 %时材料的性能提高到实验中的最大值 ,弹性模量提高了 83%。同时 ,通过材料的DSC轨迹分析研究了材料的热性能 ,并进行了扫描电镜分析。空心微珠填充聚丙烯不仅能提高聚丙烯材料的力学性能和热性能 。

等离子体激励低速分离流动控制实验研究

通过风洞流动显示实验,研究了等离子体激励低速条件下对平板表面分离剪切层的控制特性。结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制平板上的流动分离,实现流动的完全再附。在大迎角下可以显著减小平板完全分离后分离区的宽度。对比五种不同电极的实验,发现对于给定的输入电压及频率,负极宽度越宽,电极内侧正向间距越宽,其流动控制效果越好。最后通过改变发烟钢丝的位置和来流状况,证明了等离子体对周围流场的吸附和加速作用,对等离子体激励控制流动分离的机理进行了分析。

空间用聚四氟乙烯材料的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在 IFM原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对空间常用材料聚四氟乙烯进行了原子氧剥蚀效应试验 ,试样温度升高对原子氧效应的影响以及原子氧与紫外辐射复合效应试验 ,对试验前后试样的质量及表面形貌进行了比较 ,得出了材料在设备中的反应特点以及温度升高、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。对原子氧与材料的反应机理也做了相应的分析。同时还测量比较了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率、透射率等光学性质。

鸭翼-前掠翼气动布局纵向气动特性实验研究

前掠翼布局由于其潜在的优势,在未来战斗机的研制中将占有日益重要的地位。本实验通过可变前掠翼和鸭式前翼布局的风洞测力实验,重点分析比较了平板机翼在不同掠角下的纵向气动性能以及鸭翼的影响。实验结果表明,前掠翼在大迎角时能有效提高模型的升力系数,小迎角时其升阻比也略优于后掠翼。前掠翼布局能有效推迟失速,具有良好的失速特性;前掠角较大时,升力系数曲线在失速迎角附近有一个升力系数的"平台",该布局具有"缓失速"特性。距离主机翼较远的鸭式前翼(模型M2)在主机翼前掠和后掠情况下,均可改善整体布局的失速特性,增大失速迎角,增强前掠翼布局缓失速的特点。近距耦合鸭翼(模型M3)显著提高了模型在大迎角下的升力系数。另外,主翼前掠和鸭式前翼布局飞行器具有较好的机动性。

平板/锯齿型Gurney襟翼对NACA0012翼型增升实验研究

在Ｒｅ为 2 1× 1 0 6情况下进行的ＮＡＣＡ0 0 1 2翼型Ｇｕｒｎｅｙ襟翼增升效应风洞实验研究表明 ,Ｇｕｒｎｅｙ襟翼可使升力有很大提高 , 0 5%平均气动弦长襟翼在ＣＬ>1 0后即可提供较高的升阻比 ,当ＣＬ =1 3 5时 ,2 %平均气动弦长襟翼获得了 3 5%的最大升阻比增量 ;翼型表面压力分布结果显示 ,Ｇｕｒｎｅｙ襟翼增加了上翼面的吸力 ,同时下翼面压力增强 ,因而升力提高 ;尾流速度型显示Ｇｕｒｎｅｙ襟翼导致流经上翼面的流体在其后有明显下偏转 ,这表明翼型有效弯度增大了 ;襟翼上开出锯齿会同时导致升力和阻力下降 ,但升阻比是否会提高则应视其是否更接近最佳高度的有效迎风面积。Ｇｕｒｎｅｙ襟翼的最佳应用场合为中高升力系数情况 (如起飞、降落等 ) ,在中小升力系数情况下不宜使用。

大迎角细长旋成体绕流结构演变过程实验研究

通过烟流显示和测压实验,系统地观察和分析了尖拱头细长旋成体绕流结构随迎角的演变过程。实验发现在不同迎角下,不仅细长旋成体绕流结构形态不同,而且不同流态结构的演变过程所含迎角范围较小,几乎在几度迎角内就可完成。

欠膨胀超声速射流不稳定性机理的数值研究

应用NND有限差分格式求解轴对称可压缩N—S方程,研究了不同驻室与环境压力比条件下欠膨胀超声速射流近场的失稳特性,计算结果表明欠膨胀超声速射流的失稳机制根据射流激波结构的特征可分为3种失稳模式:具有规则反射激波结构和单一剪切层特征的射流不稳定性;带有马赫反射激波结构和双剪切层特征的射流不稳定性;具有弯曲马赫杆和高度欠膨胀射流的不稳定性,对于欠膨胀超声速射流,沿射流方向重复出现拟周期性的射流激波结构是射流稳定发展的特征,这种射流激波结构的消失是射流开始失稳的标志。

数字全息粒子图像测速技术(DHPIV)研究进展

全息粒子图像测速技术(DHPIV)是当前非常具有发展潜力的非定常三维流场测量技术,是一种具有点空间分辨力的三维空间三维速度场和时间历程的实验观测方法和技术.本文介绍了该项技术(数字全息DH和粒子图像测速PIV)的发展背景和近20年来的研究进展,并介绍了已测得的非定常复杂流动的初步结果.详细论述了DHPIV技术所面临的关键性问题和应用基础问题以及相应的进展:粒子空间场的重建与再现的空间分辨率问题、粒子定位或位移精度问题、信噪比和数字再现的光学与快速算法以及测量空间的扩展等问题.同时讨论了数字离轴全息等有关技术的潜力,介绍了进一步的研究发展方向.

近距耦合鸭式布局气动研究进展

介绍了近距耦合鸭式布局的基本设计思想。从实验、数值计算两个角度对近距耦合鸭式布局气动方面的研究进展进行了综述,重点对近距耦合鸭式布局增升机理方面的研究进行了总结。并对尚待解决的问题进行了展望。