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4σ/2α6时,空穴平均相对长度为l/c0.7,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/2α4,空穴平均相对长度为0.7l/c1.0,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。     

绕水翼空化流场的数值模拟与试验研究

采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构,试验采用高速数码拍摄技术观察在10°攻角下的片状和云状空化随时间的结构变化;数值模拟针对应用较多的RNG k-二方程湍流模型做适当修正,分析片状空化及云状空化时的非定常空化流场结构、流动特性及空泡演化过程。结果表明,数值模拟得到的水翼空化流动现象和试验观察到的结果基本一致,验证计算模型和数值方法的可靠性;在片状空化阶段,空泡长度变化不明显,空穴尾部边界存在小幅度波动,空穴总体相对比较稳定;云状空化阶段,空穴分为两部分:一部分为空泡主体,稳定地附着在水翼吸力面上,随时间推移逐渐长大,达到最大空泡长度后出现回缩;另一部分为空泡附体,为周期性非定常汽液两相运动区域。云状空泡的形成和发展过程均伴有压力的波动,在一个空泡生长周期内,压力面压力系数几乎不受空泡变化的影响,吸力面压力系数在空化数的负值附近小幅度波动。     

涂层对绕水翼云状空化的运动特性及动力特性影响的试验研究

采用多种试验技术方法讨论了不同涂层水翼云状空化的空穴形态、运动特性和动力特性。三种涂层分别为光滑环氧涂层(模型A)、光滑氟碳涂层(模型B)和表面粗糙氟碳涂层(模型C)。研究表明:(1)涂层的粗糙度和材质共同影响绕水翼云状空化流动特性;(2)不同涂层水翼的空穴形态不同:附着在模型A的空穴厚度更小,空穴长度随时间变化更快,空穴脱落周期更短。且模型A透明空穴区透明性更好,变化范围最小,模型B其次,模型C最大。(3)涂层影响云状空化运动特性:绕不同涂层水翼的局部低速区和涡量区位置的各不相同导致透明空泡堆积位置也不同,局部正涡量区位置的不同导致出现旋涡水汽混合区位置的差异,模型A的旋涡水汽混合区位置距离水翼头部最近,B其次,C最远;(4)与粗糙度相比,涂层材质对绕水翼云状空化的动力特性影响更为明显。不同涂层水翼升力系数急剧下降区不同,升力的主导频率也不同,但与云空化流动结构中空化的变化周期相一致,此外绕模型B空穴转变为云状空化的空化数比模型A、C的要小,因此模型B涂层能够抑制云状空化发生。     

基于k-ωSST模型的DES方法在空化流动计算中的应用

基于试验结果评价了基于k-ωSST两个方程的DES湍流模型在空化流动中的应用,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化与Hydronautics型水翼超空化流动,获得了随时间变化的空穴形态与流场结构细节。通过与试验结果对比发现,DES方法对于高雷诺数的绕水翼空化流动的预测是合理的,可以准确地模拟出空穴形态的非定常特性和空泡团交替脱落的非定常细节。     

振荡参数对涡流发生器抑制风力机翼型动态失速影响研究

动态失速对风力机叶片气动特性具有重要影响,涡流发生器(Vortex generators, VGs)是目前风力机领域应用最为广泛的流动控制技术,对动态分离具有一定的抑制作用。为探索VGs对风力机翼型动态失速的抑制作用,采用SSTk-ω湍流模型,研究振幅Δα、折合频率k对加VGs的DU91-W2-250翼段动态失速特性的影响。结果表明：振幅增大,动态失速迟滞效应增强,失速角延后,最大升力系数增加,下俯阶段的升力系数减小,平均升力系数降低。折合频率较大时,阻力系数迟滞效应增强,上仰阶段阻力增大,下俯阶段阻力减小,平均升阻力系数随折合频率增大先增大后减小;折合频率越大的工况,流场动态响应明显,加VGs翼段失速严重。与光滑翼段相比较,VGs延迟动态失速效果与振幅成正比,与折合频率成负相关。     

基于RANS湍流模型的梯形柱气动特性研究

文中基于流体计算软件Fluent,采用Realizable k-ε湍流模型,对高雷诺数（Re=6.8×105）下梯形柱的绕流特性进行数值模拟,通过对不同宽高比与不同偏角(迎风面与来流方向的夹角)的梯形柱进行流场分析与研究,获得不同结构特征参数下梯形柱的气动参数以及流场绕流特性。结果表明：当偏角不变时,随着宽高比的增加,阻力系数、升力系数均方根逐渐减小,斯托罗哈数先增加后减小;当宽高比不变时,随着偏角的增加,阻力系数、升力系数均方根、斯托罗哈数逐渐增加。与同宽高比下的矩形柱相比,在宽高比R=0.5时梯形柱的阻力系数大于矩形柱,在宽高比R=0.6～1.0时矩形柱的阻力系数大于梯形柱。     

FBM湍流模型在云状空化流动数值计算中的应用与评价

为评价一种基于滤波函数湍流模型在非定常空化流动计算中的应用,分别采用基于标准RNGk-ε的滤波器模型(Filter based model,FBM)、修正RNGk-ε模型、基于修正RNGk-ε的FBM模型对绕Clark-y翼型云状空化流动进行模拟,研究云状空化流动现象,获得了随时间变化的空化形态、压力场和升、阻力等流场和动力特性。通过与试验结果的对比发现,不同湍流模型的选取对计算所得的空穴长度、压力场和升阻力均有影响,而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显。采用基于修正RNGk-ε的FBM模型可更准确的模拟出云状空化形态与空化区尾部涡团交替脱落的非定常细节。     

高雷诺数下海底悬跨管道绕流数值模拟

海底悬跨管道所处工作环境恶劣,失效形式多样,涡激振动是导致其疲劳破坏的重要原因。为研究不同悬跨间隙比和海底流速对悬跨管道涡激振动强度的影响规律,利用Fluent软件进行了实管径高雷诺数下的二维绕流数值模拟,得到涡旋脱落形态,升力和阻力系数变化曲线。结果表明:海底悬跨管道的升力系数幅值和阻力系数均值随间隙比增大而减小,最后趋于稳定。在小间隙比情况下会出现因管道底部流速增大引起管道两侧升力极值不相等的现象;随海底流速的增加,升力系数幅值和阻力系数均值呈先增后减的趋势,规律与常规圆柱绕流一致;升力系数频率随速度增加而增大,受间隙比的影响较小。工程实际中,海底管道的铺设要尽量避免海流流速高和悬跨间距大的水域,对危险悬跨区段应设置涡激抑制装置。     

绕管式换热器壳侧液体降膜流传热特性分析北大核心CSCD

为研究绕管式换热器壳侧传热特性,建立了以丙烷为模拟工质的三维液体降膜流传热模型,进行了不同流动工况下液体降膜流的传热数值模拟,分析了雷诺数、液相入口温度、换热管壁温、壳侧工作压力对绕管式换热器传热性能的影响。结果表明,流动工况对绕管式换热器的传热性能有显著影响;对于液体降膜流,传热膜系数随着雷诺数增大而增大,同时相同雷诺数时,随着换热管管层下降传热膜系数逐减减小;当液相入口温度升高时,传热膜系数增大,液相入口温度升高0.2 K时,平均传热膜系数升高约15%;当管壁温度与饱和温度间的温差较小时,升高管壁温度传热膜系数有明显增加,当管壁温度与饱和温度温差较大时,传热膜系数变化不显著。对于丙烷,工作压力增大时,液体降膜流的传热膜系数减小,当工作压力从0.2 MPa增大到0.3 MPa时,传热膜系数降低10%~15%,当工作压力从0.3 MPa增大到0.4 MPa时,传热膜系数降低约5%。所得结果可为绕管式换热器工艺设计提供参考。     

风力机柔性叶片翼型的气动特性研究

基于柔性叶片大尺寸变形的特点,选取NPU翼型作为研究对象,采用Xfoil软件计算不同弦向变形时翼型的升阻力系数及俯仰力矩系数,并总结翼型变形后升力系数计算的修正公式。研究表明,柔性叶片弦向弯曲变形越大,翼型的升力系数越大,阻力系数也会有小幅度增大,但升阻比总体呈现增大趋势,有利于提升气动性能。翼型变形后的气动特性计算修正公式的计算结果与模拟仿真的结果也吻合较好。     

悬跨海底管道绕流三维特性的大涡数值模拟研究

自由悬跨是海底管道安全的风险之一,涡激振动(VIV)引起的疲劳是自由悬跨海底管道的主要失效模式之一。悬跨高度是影响海底管道涡激振动频率和载荷大小的一个重要因素。采用大涡数值模拟方法(LES)研究了不同悬跨间隙比(G/D)海底管道绕流的流场特性,分析了悬跨的间隙比对海管绕流场剪切层相互作用、升阻力系数和旋涡脱落等的影响规律。结果表明:与湍流模型的雷诺平均方法(RANS)相比,大涡数值模拟方法能够得到更准确和详细的近壁面圆柱绕流结果。在G/D小于0.8以后升阻力系数有明显变化,升力系数的均方根值随着G/D的减小而减小。当G/D大于0.8,升力系数的均值和均方根值基本不变,此时悬跨高度对绕流不再有明显影响。因此,可将G/D等于0.8作为临界悬跨间隙比,大于临界悬跨高度时的疲劳分析可等同于孤立管道。当G/D小于0.3以后,由于旋涡发放被抑制,升力系数的均方根值基本保持在很小的值,因此疲劳失效的风险大幅降低。而在中间过渡阶段的间隙比情况下,可以参考获得的升力系数值做更为精确的疲劳分析。     

不同燃油温度下柴油机喷嘴空穴流动特性试验研究

作为喷射系统的终端,喷油器内部的空穴流动对燃油雾化具有重要影响。采用比例放大透明喷嘴,研究不同燃油温度对喷嘴内空穴流动及其对近场喷雾的影响。引入无单位参数空穴数表征喷油器内燃油空化程度,研究发现燃油温度升高,其空穴初生时的压力减小,同一空穴数下,空穴程度更强烈。同时,试验观察到喷嘴内空穴区域的不对称性,喷孔管壁下壁面的空穴分布远大于上壁面的空穴分布;发生超空穴之后,随着空穴数的增加,试验结果中喷嘴内部的空穴流动变化不太明显,但仿真结果中看出喷孔出口流速减小。相同燃油温度下,随着空穴数增加,体积流量增加,流量系数减小,空穴相对面积增加,近场喷雾锥角增大;相同空穴数下,燃油温度增加使体积流量和流量系数都增加,空穴相对面积逐渐增大,近场雾化效果更好。     

大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数与马赫数的相关性

对大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数的风洞试验数据进行了综合分析,利用风洞试验数据修正了带翼刚体升力系数和零升阻力系数的动力学模型。研究结果表明,大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数随马赫数的变化趋势基本相似,数值计算数据与风洞试验数据都验证了修正后的动力学模型对于估算大长径比带翼刚体的升力系数和零升阻力系数是可行的,为同类型带翼刚体的空气动力特性分析提供了技术参考。     

大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数与马赫数的相关性（英文）

对大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数的风洞试验数据进行了综合分析,利用风洞试验数据修正了带翼刚体升力系数和零升阻力系数的动力学模型。研究结果表明,大长径比带翼刚体的零升阻力系数和升力系数随马赫数的变化趋势基本相似,数值计算数据与风洞试验数据都验证了修正后的动力学模型对于估算大长径比带翼刚体的升力系数和零升阻力系数是可行的,为同类型带翼刚体的空气动力特性分析提供了技术参考。     

基于K系数喷嘴喷孔内空化现象的数值模拟

建立了某喷油器流场的二维模型,利用混合多相流模型加空穴模型对整个几何模型区域的流场进行了数值模拟计算.基于这一模型定义了K系数,并分析了不同K系数对喷孔内空穴分布的影响.总结出了喷孔的扩张系数K对喷孔中空化流的影响变化规律并且得到了不同K系数对出口处质量流量和喷孔内气体总体积的影响.数值计算结果表明,在一定的K值范围内,K＜0喷孔随着扩张程度的增大,空化现象加剧,而K＞0喷孔则抑制空化现象的产生.     

Gurney襟翼对风力机专用翼型气动性能的影响

为了研究Gurney襟翼对风力机专用翼型的增升效果,采用数值求解N-S方程的方法,对装有Gurney襟翼的DU95-W-180翼型进行了数值计算,在翼型尾缘压力面添加高度为弦长的1%、2%、3%、4%的Gurney襟翼,攻角范围为-8°~18°,计算各种工况下的翼型气动性能并与原翼型气动性能相比较。结果表明:Gurney襟翼对风力机专用翼型有很好的增升效果,而且增升效果与高度密切相关,襟翼高度越大,升力系数越大,相应的阻力系数也会增大。Gurney襟翼的最佳应用场合为中高升力系数情况,在中小升力系数情况下不宜使用。     

合成射流对钝尾缘翼型气动特性的影响

研究吸力面存在合成射流的情况下,钝尾缘翼型TR-4000-2000流场结构的变化及其升阻力系数等气动特性参数的变化趋势。在相同射流入口速度条件下,采用计算流体力学软件Fluent对相同来流速度不同攻角情况下翼型流场进行非定常数值模拟计算,分析射流前后翼型升阻力系数变化及翼型表面压力的波动状况;在此基础上,对不同射流频率和不同射流速度情况下翼型流场进行模拟计算,寻求最佳射流参数。结果表明,由于射流及尾缘涡的相互作用导致翼型的升阻力特性不断变化,钝尾缘翼型吸力面合成射流有明显的增升减阻效果,在15°攻角时尤为明显,升力系数提高约40%,阻力系数减小约25%。在量纲一射流速度和量纲一射流频率均为1时,射流对翼型的增升减阻效果最佳。     

亚临界雷诺数下凹坑圆柱绕流数值模拟分析及减阻性能研究

为研究非光滑圆柱绕流减阻性能,采用SST k-ω湍流模型对亚临界雷诺数R_e=40 000下凹坑圆柱绕流进行数值模拟及减阻性能研究。对凹坑深度、内部形状、分布形式进行了结构参数敏感性分析,研究各参数对凹坑圆柱绕流减阻性能的影响规律。结果表明:凹坑圆柱具有较好的绕流减阻效果;阻力系数、升力系数均随凹坑深度增加呈先减小后增大的变化趋势,且在h=0.015D时,凹坑圆柱绕流具有最佳减阻效果;圆柱形凹坑圆柱平均阻力系数为0.923,球面形凹坑圆柱平均阻力系数为0.94;菱形分布凹坑织构的圆柱绕流阻力系数平均值为0.923,矩形情况为0.973。     

离心泵蜗壳内非定常流动特性的数值模拟及分析

基于RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对离心泵内部非空化和空化工况下的非定常流动特性进行数值模拟,分析空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,并根据试验结果修正离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数;数值模拟得到的离心泵扬程随有效空化余量的变化曲线与试验结果吻合较好,验证数值计算模型和方法的准确性和可靠性。数值模拟结果表明：离心泵非定常流动中,非空化、临界空化和充分发展空化工况下,蜗壳内监测点的压力脉动主频均为叶片通过频率;空化对离心泵蜗壳内压力脉动的影响较大,非空化时压力脉动最大幅值在蜗舌处,空化时压力脉动最大幅值在第1断面附近,其原因是离心泵出现空化时第1断面处旋涡强度增强,且随时间变化剧烈,对流动产生强烈扰动。     

汽车冷却水泵小流量工况下非定常空化特性研究

针对汽车冷却水泵的空化问题,对小流量工况下非定常空化特性及其对压力脉动的影响进行了研究。采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri (ZGB)空化模型,对水泵在典型空化状态下的流场进行了数值模拟研究,得到了小流量工况下叶轮内的非定常空化流动特征和空泡的时空演变规律;对蜗壳上的压力脉动进行了频谱分析,得到了不同空化条件对压力脉动的影响;通过泵的空化实验,对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:随着空化余量的减小,各监测点压力脉动峰的峰值和主频幅值逐渐增大,特别是隔舌位置处的压力脉动变化最为显著;泵内的空泡表现为不对称分布,主要集中在叶片前缘位置以及后盖板靠近叶轮进口位置,并随着空化的加剧,空泡体积分数逐渐增大。