昆虫飞行高升力机理的研究

随着仿生扑翼飞行机器人的微型化,当扑翼飞行机器人达到昆虫量级的时候,任何复杂的运动系统都将面临难以实现的问题.本文从研究现有比较成熟的昆虫飞行高升力机制出发,指出了现有"昆虫飞行高升力机理"研究成果中存在的一些问题,用"柔性楔形效应"对昆虫飞行高升力机理进行了合理解释,提出"柔性楔形效应"是昆虫前飞过程中获得很大升力的主要原因.用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力机理,翅翼运动的模拟方式有可能只需在自适应变形状态下施以简单的节律运动.该结论将对仿生扑翼飞行机器人的研究产生重要影响.     

射流泵内部流动的二维大涡模拟

建立了弱可压缩的大涡模拟运动方程，采用弱可压缩流体运动方程作为控制方程，按照Deardorff的方法引入大涡模拟，利用Smagorinsky的亚格子紊动模型封闭水流运动方程组；进而对该守恒形式的方程进行求解，用有限何种法离散，用MaCormark显式预测-校正步进法计算。通过大涡模拟，得到了射流泵内部流动的流场分布，轴向压力和流速变化，为射流泵理论研究和优化设计提供了可靠依据。     

后台阶流场大涡模拟的入口边界条件研究

对不同入口边界条件下后台阶下游三维流场进行了大涡模拟。讨论了层流及湍流入口流速剖面下边界层厚度及湍流度对台阶下游平均流速剖面、再附长度的影响。模拟结果表明,对于层流入口流速剖面,边界层厚度对再附长度的影响很大,随边界层厚度的增大,再附长度将增大。对于湍流入口流速剖面,边界层厚度对再附长度的影响不大,而入口湍流度则对再附长度有较大影响。随着入口湍流度的增加,再附长度将会变短矗在雷诺数为5000情况下,当采用湍流入口流速剖面并选择湍流度为0．5％时,大涡模拟能得到与直接数值模拟基本一致的结果。     

低压燃油雾化喷嘴流动能量损失特性数值研究

建立了描述燃油在有渐扩切向槽的低压燃油喷嘴内的三维流动数学模型,采用SIMPLE算法进行计算,探讨低压下这种喷嘴的流动阻力特性,并采用试验方法研究了低压下油的雾化特性,以确定优化的燃油雾化喷嘴的结构特性。结果表明：在θ= 6o左右时,燃油雾化喷嘴出口流体的回流卷吸作用消失;在低压下(p0=0.8 Mpa),当燃油雾化喷嘴的结构特征为n=3～4,L≤2.5,θ=5o~6o,a/b=1.2和Rx/rb≥2.5时,能量损失达到最小,喷嘴压降达到最低;结构优化的燃油雾化喷嘴在低压下可保持良好的雾化质量。研究得到的燃油雾化喷嘴可用于火电厂、化工及建材等燃烧动力装置的燃烧点火及助燃等。     

基于大涡模拟的空气绕流微细管流动特性研究

在1000≤Re≤7000范围内,采用大涡模拟对空气绕流1mm微细管进行了数值研究,通过升阻力特性和时均雷诺应力分布等湍流统计特性着重研究微细管表面受力特性以及极近尾流区流动特性。结果表明,在获取空气绕流微细管湍流统计特性时,统计70个涡脱周期的时间足以获得可靠的时均统计结果;随着临界雷诺数的增大,时均阻力系数和微细管表面压差阻力变化趋势相同先减小后增大,表面摩擦阻力减小,流动分离提前;此外极近尾流区湍流脉动强度在雷诺数增大到5000后,继续增加雷诺数对极近尾流区湍流发展无明显促进作用。     

轴流风机叶尖泄漏流动的大涡模拟（英文）

本文采用大涡模拟(LES)的方法研究了在基于外壳直径的雷诺数为9.36×105条件下5叶片的轴流式风扇的流动特性,并且着重分析了叶尖泄漏的流动现象。本文使用了基于有限体积法和分层笛卡尔网格的可压流求解器进行数值计算,并应用了体积守恒的切割网格方法处理风扇几何结构的浸入式边界。同时开发了用于笛卡尔网格的旋转周期性边界条件,这样只需分析由2.5亿网格构造的包含一片叶片的72°区域。该研究首先对网格质量进行了分析,之后讨论了瞬态和时均流场的特性,并与使用RANS的5叶片模拟结果进行了对比。RANS和LES模拟结果的主要不同之处体现在叶尖泄漏涡尾流中的湍流动能。本文进而研究了叶尖间隙对叶尖泄漏涡的影响。研究表明,间隙的大小会影响叶尖泄漏涡的大小形状。此外,间隙中更多的分离现象和反向旋转涡会导致较低的湍流动能。     

搅拌反应器大涡模拟方法研究

大涡模拟方法是介于传统雷诺平均方法和直接数值模拟方法之间的一种数值计算方法,其基本思想是通过滤波把流场中所有变量分成大尺度和小尺度量,对大尺度量进行直接求解,小尺度量采用亚格子模型进行模化处理.综述了近年来大涡模拟方法在搅拌反应器领域的研究进展,主要包括大涡模拟的数值方法、亚格子模型、桨叶旋转运动的处理技术及其在湍流特性、宏观不稳定、混合时间及多相流等方面的具体运用.阐明了大涡模拟方法较传统雷诺平均方法的优势,指出大涡模拟今后研究的重点方向为搅拌反应器内复杂多相流体系.     

燃气轮机流动大涡模拟的进展与挑战（英文）

Gas turbine flows are complex and very difficult to be predicted accurately not only due to that they are inherently unsteady but also because the presence of many complex flow phenomena such as transition,separation,substantial secondary flow,combustion and so on.Those complex flow phenomena cannot be captured accurately by the traditional Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)and Unsteady RANS(URANS)methods although they have been the main numerical tools for computing gas turbine flows in the past decades due to their computational efficiency and reasonable accuracy.Therefore,the desire for greater accuracy has led to the development and application of high fidelity numerical simulation tools for gas turbine flows.Two such tools available are Direct Numerical Simulation(DNS)which captures directly all details of turbulent flow in space and time,and Large Eddy Simulation(LES)which computes large scale motions of turbulent flow directly in space and time while the small scale motions are modelled.DNS is computationally very expensive and even with the available most powerful supercomputers today or in the foreseeable future it is still prohibitive to apply DNS for gas turbine flows.LES is the most promising simulation tool which has already reasonably widely used for gas turbine flows.This paper will very briefly review first the applications of LES in turbomachinery flows and then focus on two gas turbine combustor related flow cases,summarizing the current status of LES applications in gas turbines and pointing out the challenges that we are facing.     

单、双类圆柱型杆件绕流的大涡模拟研究

通过建立不同拔模角的渐变截面正圆柱型、斜体圆柱型杆件以及阶梯圆柱杆件模型,包括单杆件与双杆件,采用大涡模拟的数值方法,采取涡粘性亚格子Smagorinsky模型封闭方程,对高雷诺数下类圆柱型杆件的绕流流动进行研究。在增加横向速度的条件下,分析了各类杆件模型气动载荷的时域、频域特性,得到了阻力系数、升力系数、周向压力系数的分布规律;分析了尾流漩涡的变化规律,以及由于涡的交替脱落导致的杆件壁面压力的变化。计算结果表明单杆件模型中当拔模角增大时阻力系数的幅值在时间周期上延后出现且幅值减小;双杆件模型中则是拔模角为3°的工况,但斜体放置时拔模角为1°主频最大,同时存在低频的峰值。周期内涡旋脱落产生一个周期升力变化的同时,产生1.5个周期的阻力变化。在气动载荷中升力系数受复杂工况的影响最大,阶梯圆柱型杆件的气动力稳定性较好。拔模角及横向风速影响杆件尾流的分布规律,使得涡的脱落点沿倾角及横向风速的下游方向偏移。     

超声速膨胀器转子内部流动特性与损失机理研究

为了进一步提高超声速膨胀器转子性能,采用数值方法对其内部流动特性和损失机理进行研究。发现膨胀流道入口处膨胀波和出口处斜激波的波系分布控制超声速膨胀器转子内部的三维流动结构;泄漏涡的产生、发展和破碎过程是其内部旋涡运动的主要特征;超声速膨胀器转子内部的流动损失可分为叶型损失、端壁损失、间隙泄漏损失和尾迹损失,吸力面下表面附面层与隔板之间的摩擦损失是叶型损失的主要形式,斜激波作用下附面层的分离、回流、低能流体与主流掺混以及斜激波与斜激波、斜激波与附面层相互作用所导致的损失是端壁损失的主要来源。     

基于大涡模拟的风力机尾流特性研究

耦合大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)与致动线方法(Actuator Line Method,ALM),对均匀入流下的水平轴风力机作数值模拟研究,探究三种亚格子(Subgrid-Scale,SGS)模型下风力机的尾流特性.结果 表明:雷诺应力与湍流切应力在叶尖涡与叶根涡区有明显的最大值与极大...     

轴流式通风机离散噪声的大涡模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)和计算声学(CAA)相结合的方法,对轴流式通风机的离散噪声进行了数值模拟。在定常流动数值计算的基础上,利用宽频声源模型确定了轴流风机主要气动噪声源的位置;采用大涡模拟(LES)方法结合FW-H声学模型,模拟了轴流风机的离散噪声分布。研究结果可为低噪声轴流风机参数优化和结构设计提供参考。     

航空燃油齿轮泵流动机理的数值模拟研究

通过理论分析和实验研究难以获取航空燃油齿轮泵的流动特性,针对这一问题,对航空燃油齿轮泵流动机理进行了数值模拟研究。首先,采用雷诺平均方程和k-ε湍流模型作为数学模型;然后,应用基于弹簧变形法和局部网格重构技术的动网格技术实现了网格变形;最后,在Fluent中的不同转速下针对内流场进行了数值求解,得到了其压力和速度分布,并分析了转速变化对其流场的影响。研究结果表明:齿轮进入和退出啮合的区域分别形成了局部高压区和低压区,最高压强可达4.3 MPa～20 MPa,最低压强可达-10 MPa～-40 MPa,且两者压差随转速提高而增大;在齿轮啮合处流速达到了局部最大值,最大速度可达105 m/s～269 m/s,且该值与齿轮转速正相关;该研究成果为航空燃油齿轮泵的运行维护和优化设计提供了理论依据。     

燃油离心泵的非定常大涡模拟与试验研究

采用大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术,对多工况下的带诱导轮的燃油增压泵进行了非定常数值模拟分析,得到了燃油增压泵内部流动特性,同时对实物泵进行特性试验。结果表明:由于蜗壳存在不对称性,造成叶轮涡量和压力分布存在不对称流动;随流量的增加,流道内的涡量和压力大小分布规律相同,在小流量时变化明显,大流量时变化均匀,并且涡产生的位置和形式都发生了变化。通过试验曲线的形状看出,该泵在低转速、小流量时的变化较为明显,存在不稳定性。在大流量和高转速时性能稳定,而且在超过额定转速的1.08倍处工作状态良好,为后续提高该离心泵工作压力提高依据。     

板式热交换器高粘性流体传热与流动模拟研究

建立了某种板型板式热交换器的板片及其流道模型,利用计算流体力学软件对流道内流体的流动及传热进行数值模拟,得到高粘度流体的传热系数及压降,分析了压力场,温度场,速度场的变化规律进而回归粘性流体的传热准则方程。将模拟所得结果与试验所得结果进行比较,结果表明:模拟和试验结果偏差在20%内,说明对于油水热交换器,采用数值模拟是可行的。     

某型发动机低压涡轮一级导向器前环冷却空气孔机械加工工艺研究

针对某型发动机低压涡轮一级导向器前环的材料和设计结构等特点,通过梳理分析冷却空气孔加工过程中的各个难点,经过三维数据模拟仿真和反复试验加工,获得了区别于电火花加工的复杂薄壁零件小孔径和深斜孔机械加工的有效技术途径。     

高负载、大摩擦阻力的舵轴加载系统的高精度控制的研究

以高负载、大摩擦阻力的舵轴加载试验系统为研究对象,针对角速度传感器实测误差过大的问题,通过采用高精度角度传感器进行高精度位置控制,并引入速度校正环节,实现系统的速度控制要求。     

非定常大涡模拟下混流泵叶轮的轴向力研究

为研究导叶式混流泵的轴向力,建立了导叶式混流泵内全三维流道模型,基于非定常大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术,对不同工况下的混流泵进行了数值模拟和性能预测,并将非定常方法计算值、定常方法计算值、经验公式估计值与试验值进行比较分析。结果表明:非定常方法计算得到的叶轮轴向力变化规律与试验和经验公式计算得到的轴向力变化规律更接近;在设计工况附近,定常和非定常方法计算得到的混流泵叶轮轴向力的数值与试验值的相对误差均约为10%;在小流量及大流量工况下,定常方法的计算值与试验值的相对误差约为30%,非定常方法的计算值与试验值的相对误差在10%之内。因此,非定常模拟方法可以更准确地预测混流泵的轴向力。     

叶顶间隙对轴流风机性能影响的大涡模拟研究

为了研究分析叶顶间隙对轴流式通风机性能的影响,分别对1mm、2mm和4mm的三种叶顶间隙建立了三维全流道作为计算域,采用大涡模拟方法对其三维全流场进行数值模拟,得到了轴流式通风机的效率和压升随流量的变化曲线,对比分析了不同的叶顶间隙对风机性能的影响,另外,得到了叶顶泄漏涡的强度和影响区域随着叶顶间隙的增大而增大。     

中等半径比内轴高旋圆柱间湍流场的大涡模拟

利用大涡模拟对中等半径比内轴高旋圆柱间湍流场进行了数值模拟。半径比为0.83,形状比为6,侧墙为静止侧墙、旋转侧墙及无剪切力侧墙3种边界条件。模拟结果表明,大涡模拟对该类问题有较强的预报能力。侧墙静止时,涡流始于靠近侧墙的左下方和右下方位置,然后涡心向上向中间移动,涡胞逐渐变大,外轴上形成众多小涡,小涡的涡心向下移动涡胞变大,最后涡胞混合在一起,充满整个轴间。侧墙旋转时,涡流始于靠近侧墙的左上方和右上方位置,然后涡心向上向中间移动,涡胞逐渐变大,外轴上形成众多小涡,小涡的涡心向下移动涡胞变大,最后涡胞混合在一起,充满整个轴间。在无剪切力侧墙边界条件,涡流场形成过程与侧墙旋转时形成过程相似。轴间流场最终形成固定数量的涡胞,且随着时间的推移,各个涡胞呈现此消彼长的局面,始终保持固定数涡胞的存在。在侧墙静止和无剪切力条件,流场最终形成8个涡胞;侧墙旋转时,流场最终形成6个涡胞。