带襟翼的机翼尾涡合并数值计算

为获得带有襟翼的机翼尾涡的合并动力学过程,在验证数值方法的基础上,数值模拟带有襟翼的机翼绕流尾流场,根据涡合并特征将合并过程划分为诱导共转阶段、合并阶段和轴对称化阶段.采用涡间距量纲—化尾流区域描述二涡诱导合并.变换弦长雷诺数、襟翼翼梢与机翼翼梢的间距、襟翼角度,改变襟翼翼梢涡与机翼翼梢涡的强度比,得到尾涡合并差异的特征.计算结果表明:随着雷诺数的增加涡的强度增加,涡量的扩散程度减低,涡合并过程被推迟,空间诱导运动过程得到延长,涡系空间诱导运动增强,涡合并的雷诺数效应随着雷诺数增加而减弱,缩短涡间距,加速涡合并过程,但合并后的远场涡尺寸和形态没有显著改变;襟翼涡随着襟翼角的减小而减弱,强度逐渐减弱的襟翼涡逐步被翼梢涡拉伸卷吸,微弱的襟翼涡系在近场中的合并过程完全改变,翼梢涡的运动轨迹并未受到诱导运动.翼梢涡合并的雷诺数效应表现为诱导运动过程的增强,尾流中强度小的涡系起不到明显的诱导作用.     

离散涡法模拟建筑物绕流流场

应用离散涡数值方法对高雷诺数下建筑物绕流流场进行了数值模拟，得到了不同相对位置、相对距离的建筑物在不同来流方向的分离流场和涡量分布，总结出受建筑物影响的流函数变化规律，取得了较为合理和可靠的计算结果，说明离散涡方法是研究建筑物的绕流问题的有效手段。     

基于剪切稀化模型的三通减阻数值模拟

为了研究添加表面活性剂在供热管道局部构件处的减阻效果,选取三通构件模型,利用计算流体力学软件模拟管内不同雷诺数下纯水和CTAC/NaSal溶液的流动。通过网格无关性、对比减阻规律验证了Carreau-Bird模型的可靠性,着重分析了减阻率、流速分布和湍动能的变化,并采用Ω准则和Q准则分析三通涡结构变化。结果表明：三通中添加CTAC溶液,减阻效果小于直管,但在较小雷诺数下就达到减阻率最大值;添加CTAC溶液改变了三通内流速分布,会使管内低速流动区域减小,而高速流动区域增大,出口段湍流流动层流化;降低了壁面附近的涡量,但增加了涡旋中心区的涡量。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

旋翼模型悬停状态桨尖涡特性

直升机旋翼桨尖涡特性研究是直升机旋翼气动特性研究的关键要素,为提高对旋翼悬停状态桨尖涡特性的认识以及准确掌握其流动机理,利用Bo-105旋翼模型在Φ5 m立式风洞开口试验段进行了桨尖马赫数相似情况下的悬停试验,并采用TR-PIV流场测量系统对旋翼悬停状态下不同总距时的流场进行了精细化测量,得到了该副旋翼32帧/圈的详细流场图像,并运用更为合理的涡核中心判定、涡核流动数据提取以及涡核模型拟合方法对试验结果进行了精细化处理与分析,进一步揭示了旋翼模型悬停状态下桨尖涡的演化发展过程.研究表明:高速PIV设备能准确捕捉旋翼悬停状态下的流场运动特征,有助于旋翼流场的精细化研究;采用涡量加权平均的方法来计算涡核中心位置可以消除涡核中心平移速度的影响,进而更加准确地定位涡核中心;采用环量分析的方法可以更加可靠地确定涡核尺寸和最大诱导速度,且分析结果显示随涡龄角的增加,涡核半径缓慢增大、涡核最大诱导速度缓慢减小;在桨尖涡发展演化过程中,不同发展阶段具有不同的涡核模型n参数.     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究

马蹄涡是水下柱体基部产生局部侵蚀的主要动力,目前对大雷诺数深水条件的马蹄涡特征研究广泛,而在低柱体雷诺数浅薄层水流条件下因技术条件限制,实验手段难以准确捕获马蹄涡。为准确掌握在该水流条件下马蹄涡的特征,本研究构建了高分辨率高频的粒子图像测速系统,系统测量了6组浅薄层水流条件下柱体前端的瞬时流场。通过分析平均流场特征进而提取出流动分离点,采用旋转强度的方法来识别马蹄涡进而提取马蹄涡位置及强度,使用Oseen涡和纯剪切的控制方程叠加模拟马蹄涡进而计算出马蹄涡的半径。结果表明,在低柱体雷诺数水流条件下(ReDlt;5 000),随着柱体雷诺数的增加流动分离点急剧向下游移动,同时马蹄涡也急剧向柱体端和床面靠近,其半径减小而旋转强度增加。在浅薄层水流条件下,当柱体直径一定时,随着水深的增加,流动分离点向上游运动,同时马蹄涡向远离柱体端和朝水面运动,马蹄涡的半径增加,且其各项参数显著大于明渠水流条件下。随后,结合已有工作,归纳出分离点、马蹄涡特征随柱体雷诺数增加而经历的不同阶段:当5 000lt;ReDlt;8 000后流动分离点仍向下游急剧移动,马蹄涡的各项特征保持稳定;当ReDgt;8 000后,流动分离点向下游移动缓慢移动,马蹄涡的各项参数仍维持稳定。研究结果可为柱体基部科学布设防冲设施提供依据和参考。     

κ-ωDES与LES方法在光滑与凹坑球的绕流分析

采用基于剪切应力传输（SST）的κ-ω两方程分离涡湍流模型（DES）方法和Smagorinsky—Lily亚格子大涡模拟湍流模型（LES）方法,对粘性不可压缩流体的光滑球与凹坑球体绕流问题进行数值模拟,计算了雷诺数为500,1000,2000,5000四种情况。通过对所得的阻力系数Gd及速度云图等结果的分析及与实验数据的比较,发现两种方法当雷诺数较小时模拟光滑球的结果差异微小,对光滑圆球的模拟都是合理的;随着雷诺数的增大,LES方法与DES模拟光滑球和凹坑球的结果虽然总体特征一致,但是细节有明显差异,LES的结果优于DES的结果。     

利用PIV测试水槽流场的实验研究

采用PIV瞬态流场测试技术,利用环形喷管,对水槽内法向面上一个截面上的速度矢量场和涡量场进行测量。定量分析不同雷诺数对速度场和涡量场的影响,描述水槽内涡旋的形成及其影响因子。分析涡旋流场强化传质的本质。结果表明,通过改变流量引起雷诺数的变化,改变了水槽内涡流的特性。为研究油品调和的流场提供一种途径。     

基于三维粒子图像测速技术的艉流场试验

为了解决船舶艉部流场复杂流动机理认知困难的问题,本文依托哈尔滨工程大学船模水池实验室拖曳水池中的大型水下三维粒子图像测速系统,以具有槽道U型船艉的某型号单桨商船缩比模型为研究对象,对设计工况下不同截面处的船舶艉流场进行测量。测量结果展现了舭涡、螺旋桨毂帽涡以及"钩状"速度等值线等流动结构。同时对不同截面位置处的船舶艉流场进行了3方向速度、涡旋强度以及涡量等对比分析。分析结果表明:与一般U型艉肥大型船舶艉流场相比,具有槽道U型船艉流场在其结构形式中同样具有强烈的船艉舭涡和"钩状"速度等值线。但是其船艉舭涡和"钩状"结构有明显的向船中收缩趋势,受船中向内的凹陷船体表面影响,具有明显的边界层流场收缩现象。     

入口雷诺数对静压油腔承载性能的影响

基于实验和数值模拟方法,研究了入口雷诺数为840～2 449时静压油腔的承载性能.利用PIV粒子测速系统实验研究了入口雷诺数变化对油腔内部流场结构的影响,与数值模拟结果吻合良好;数值模拟了不同入口雷诺数时油腔上壁面压强和壁面剪应力的变化.结果表明:随着入口雷诺数的增大,涡的位置逐渐靠近封油边,涡的范围逐渐变大;涡心位置与入口雷诺数有函数关系;入口喷射导致油腔上壁面中心处压强出现峰值,峰值之后的压强呈恒定分布;上壁面剪应力在上壁面正对入口边缘处出现峰值会导致油膜破裂.     

定常微量喷气提高轴流压气机稳定工作裕度机理探讨

顶部喷气是提高压气机稳定工作裕度的有效方式之一。文中设计了一种新型的喷嘴结构,利用高速单级轴流压气机试验台,研究了定常微量喷气对压气机性能和稳定工作裕度的影响。试验结果表明:在53%设计转速下,占压气机设计流量0.064%的喷气量可以使得压气机的失速裕度提高7.69%。同时,对带定常微量喷气的压气机转子内部流动进行了时间精确的非定常数值模拟,对比分析了喷气前后转子顶部区域不同的流动结构。将顶部间隙泄漏涡轨迹向压气机转子尾缘推移,抑制来流/顶部间隙泄漏流交接面向转子叶片前缘移动是定常微量喷气提高压气机失速裕度的主要机理。     

不同迎角下前体涡流动的等离子体控制特性

应用一对单介质阻挡放电等离子体激励器对20°顶角圆锥-圆柱组合体圆锥段分离涡流场进行了主动控制研究。实验在3.0 m×1.6 m低速风洞中进行,迎角35°～70°,基于圆锥段底面直径的雷诺数为5.0×104。实验结果包括7个测量截面周向压力分布、由周向压力分布推断得到的截面处空间涡结构以及积分得到的截面当地力和圆锥段力。实验结果表明:(1)在35°～50°迎角范围内,圆锥段流场只有一对非对称的主涡,圆锥段分离涡流动呈现近似锥型流特性,随着迎角增大,圆锥段侧向力系数符号不变;(2)在50°～70°迎角范围内,圆锥段流场呈现多涡结构,圆锥段分离涡流动不再呈现锥型流特性,此时随着迎角增大,圆锥段侧向力系数会发生多次变号;(3)等离子体控制使得圆锥段对涡流场中第1个新涡出现的迎角推迟。     

人工压缩法计算突扩管道流

使用人工压缩法计算了突扩管道流.对计算所得不同雷诺数下的等压线图和流线图进行了对比分析,结果表明,在扩张截面的拐点处形成了低压区,扩张后在侧壁右侧形成了涡,且Re数越小涡越小,Re数越小涡心的位置离侧壁越近.同时在计算中也发现,Re数较大时在出口处将形成回流区,收敛速度也变慢.     

基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme（GKS）数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。     

翼片诱导纵向涡强化层流对流传热数值模拟

利用三维数值模拟,分析了圆管内添加翼片后流体的流动结构和对流传热特性。模拟中,翼片与壁面呈45°倾斜放置,选取包含1个翼片的1／6通道进行研究。结果表明,翼片可在下游诱导产生2个旋转方向相反的纵向涡,形成对称的涡偶,涡偶外侧为背壁流,内侧为向壁流。纵向涡结构提高了流体在径向上的速度波动,在翼片下游靠近管壁处,最大速度可达到主流平均速度的80％,增强了对速度边界层的扰动。流场的改善使通道内的温度场分布更加均匀,与光滑通道相比,壁面附近的温度梯度可提高接近1个数量级。流体对壁面的冲刷作用使对流传热得到强化,相对于光滑通道,壁面局部Nu数可提高近50倍。纵向涡对通道内流体的强化传热作用随Re的增加而显著提高。     

Experimental study of the wake characteristics of a two-blade horizontal axis wind turbine by time-resolved PIV

Wind tunnel experiments of the wake characteristics of a two-blade wind turbine, in the downstream region of 0x/R10, have been carried out. With the help of the time resolved particle image velocimetry(TRPIV), flow properties such as the vortex structure,average velocity, fluctuations velocities and Reynolds stresses are obtained at different tip speed ratios(TSR). It is found that the wind turbine wake flow can be divided into velocity deficit region, velocity remained region and velocity increased region, with generally higher velocity deficit compared with a three-blade wind turbine wake. Once a blade rotates to the reference 0° plane,the tip vortices generate, shed and move downstream with the intensity gradually decreased. The leapfrogging phenomenon of tip vortices caused by the force interaction of adjacent vortices is found and more apparent in the far wake region. The axial fluctuation velocity is larger than radial fluctuation velocity at the blade root region, and the turbulent kinetic energy shares the similar trend as the axial fluctuation velocity. The axial normalized Reynolds normal stress is much larger than the radial normalized Reynolds normal stress and Reynolds shear stress at the blade root region. As the TSR increases, the radial location where the peak axial normalized Reynolds normal stress u'u'/U~2 and axial fluctuation velocity appear descends in the radial direction.     

高层建筑二维流场的数值模拟

针对建筑物风场的高雷诺数特点,采用离散涡法,分析了高层建筑物的非定常分离流问题.通过引入奇异点技术摆脱了保角变换的处理过程,使离散涡法能适应于复杂形状的钝体结构.数值模拟了流场的变化特征,分析了各种攻角下,具有方形截面的高层建筑的升力系数、抗力系数和Strouhal数.计算分析表明,离散涡法具有计算速度快及精度高的特点,可以刻画出流场的流动特征,透视到流动机理,在结构风工程领域具有较好的应用价值.     

地铁站Y型通道内行人汇集流交通特性

为探索地铁站汇集通道内行人流密度的变化特征,建立改进偏随机步行者格子气模型来模拟开放边界条件下高峰期Y型通道内行人流汇集过程,模型由正方形与三角形格子组成,并利用QT编程仿真以任意角度相交的通道内的行人流.通过分析分支通道与汇集通道内行人流密度的相变规律特征,得到密度变化相图.研究证明汇集通道内行人流密度随分支通道宽度及偏移角度的变化关系,并结合理论推导证明仿真结果的准确性.研究发现：对于分支通道宽度相同的Y型通道,当分支通道行人流密度分别为0.4和0.3时,汇集通道内行人流发生拥挤过度,此时汇集处行人流密度约为0.5;但当分支通道宽度不同时,Y型通道汇集处发生拥挤的临界密度随分支通道宽度比值增大而减小,且随偏移角度增大而增大.