弯曲叶片降低能量损失的涡动力学机制

采用实验与数值模拟相结合的手段，从涡动力学的角度阐述了弯叶片降低能量损失的机理，研究了在不同攻角，不同出口马赫数，不同弯角条件下涡轮叶栅流场内主要旋涡的生成与发展，并通过与直叶栅的对比，研究了叶片弯曲对马蹄涡起始分离点位置及对通道涡位置强度的影响，从截面涡结构入手，分析了叶片弯曲这种边界条件的改变方式对通道涡稳定性的影响，通过分析在不同气动条件下通道涡对损失贡献的差异指出了在通道涡强度与尺度较大的叶栅，叶片弯曲不但会直接通过改变通道涡的强度，减少通道涡本身的损失来影响损失的大小，同时也会通过对通道涡位置的改变来影响损失的分布与大小。     

煤矿主通风机内流规律的实验观察及理论探讨

采用“流痕法”研究了现场运行条件下的通过风内流流型和空间旋涡结构,构造出一幅生动的叶型流动图画,将叶型流动图画与涡动力学理论相结合,建立了风机叶型附面层发展的弦向三区物理模式,且描述了旋涡结构物特征。     

不同孔型气膜冷却流场的大涡模拟

采用大涡模型(LES)模拟了圆形气膜孔和锥形角γ=30°扇形孔在吹风比M=1.0时不同截面上的涡量等值线以及分布特征随时间的变化过程。结果表明:对称面的正反旋涡和垂直截面的马蹄形涡的两翼交替周期性地脱落成新的涡,同一截面扇形气膜孔旋涡生成和脱落的时间比圆形气膜孔的短,冷气射流与主气流掺混剧烈,带走的能量较多,所以壁面的冷却效率高;反向旋涡对气膜冷却流场有重要影响,在同一截面圆形孔的反向涡旋对(CVP)要比扇形孔的大,且涡心位置要比扇形孔的高,因此圆孔对壁面的冷却效果要比扇形孔的差。     

椭圆柱绕流尾迹的PIV测量及DMD分析

为了研究椭圆柱绕流尾迹的流动特性,利用粒子图像测速技术(PIV)对长短轴之比AR=0.42的椭圆柱在雷诺数Re=3 493,4 657,5 822三种流动工况进行了实验研究,得到了相应的尾流区瞬态速度矢量场和涡量场,并通过频谱分析得到旋涡脱落频率。结果显示:随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加。同时采用动力学模态分解(DMD)方法对实验获得的速度场进行模态分解,提取了椭圆柱尾迹流场的相干结构及各个模态的频率和增长率信息。结果表明:低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态。随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散。     

拉格朗日剖面法在拖曳水槽涡系演化中的应用

传统研究方法对于拖曳水槽中的旋涡涡系演化实验,通常水槽的横流面使用激光片光,并对CCD相机拍摄的时间序列下的旋涡运动图像进行分析,但此类研究方法只局限于研究涡系的平面运动.为能从三维空间对于复杂旋涡的演化过程形成进一步的认识,文中提出了一种提取、重构三维复杂涡系的新方法:拉格朗日剖面法,即在基于流场描述的拉格朗日方法下,利用拍摄到的旋涡运动照片,结合伽利略变换和Matlab软件的图像处理技术,编写代码,确定颜色阈值,将流显图片转化为相应数字图像,并提取拖车运动速度与相机拍摄间隔时间重构涡系在时间维度上的相对位置,将二维平面图像转换到三维尺度中,刻画出旋涡的空间演变形态.本方法对直观认识复杂三维涡系演化现象,分析涡系干扰、演变机理具有一定价值,与常规研究尾涡空间演变的方法相比,具有性价比高的特点.     

非对称附面层抽吸对高负荷扩压叶栅旋涡结构的影响

为了改善高负荷扩压叶栅流道内旋涡结构,达到降低流动损失,提高气动性能的目的。本文借助实验校核CFD方法,对某高负荷扩压叶片进行了非对称孔式附面层抽吸。使用Q准则作为本次旋涡判定的准则,并对原型及抽吸方案的损失和涡量场进行了分析,并对其建立了旋涡结构模型。在原型方案中,由通道涡与集中脱落涡的掺混形成的角区损失占出口损失的主要部分,采用非对称抽吸后,抽吸侧内角区损失有明显的减弱,但非抽吸侧的损失沿展向和周向迅速扩展。     

锥形涡诱导下正方形平屋盖风压特性

为揭示旋涡作用下的脉动风压功率谱特性和确立谱能量与旋涡运动或湍流尺度之间的演变关系,基于大跨屋盖结构风洞测压试验,以涡轴方向测点列和横风向测点列为研究对象,分析了来流非垂直于迎风墙面时3种不同来流工况(均匀流、格栅紊流和B类地貌)和3种不同风向角(15°、30°和45°)下正方形底面的平屋面风压分布和锥形涡涡轴的运动特征.分析结果表明,3种来流工况下屋面最大风吸力、最大脉动值均出现在屋面下三角区的迎风顶点附近.3种风向角下,30°时在迎风顶点附近锥形涡诱导的平均、脉动风压均达到最强.对于同一来流工况下,随着风向角的逐渐增大,涡轴与迎风前缘的夹角和再附作用范围均在逐渐减小.涡轴方向迎风点附近测点风压谱谱峰值与其对应的屋面风吸力成正比例关系:在高频范围内,测点风压谱相应频率对应的谱能量峰值越大,屋盖平均风吸力也越大;在低频范围内,相应频率对应的谱能量峰值越大,其脉动风吸力也越大.均匀流下涡轴方向各测点间的互相关性较弱,格栅紊流和B类地貌下测点间的互谱曲线呈现指数衰减模式.     

基于层流假设的三角翼大迎角绕流特性数值模拟研究

三角翼大迎角绕流数值模拟的计算网格,需根据流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,物面、空间及尾迹区网格的处理是捕捉流场细节的关键.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.采用层流假设的N-S方程,通过合适的网格生成方法,可得到满意的计算结果,但对涡破裂后强烈的非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

基于DDES的离心泵蜗壳内部涡动力学研究

为研究离心泵蜗壳内部涡结构、涡演化的过程,基于DDES湍流模型和涡动力学的涡量对离心泵多工况下的旋涡运动进行非定常数值模拟。研究表明:对比外特性数值预测和试验数据,两者差值在允许的范围内,表明延迟分离涡方法的可靠性;对比涡量云图,DDES湍流模型较RNGk-ε湍流模型能清晰地看到由大旋涡破裂而成的小旋涡,能更好地模拟精细流场结构;蜗壳内的旋涡主要集中在进口和隔舌附近,旋涡随着流体一起运动,在运动的过程中,大旋涡破裂为许多小旋涡,同时涡量逐渐减小;随着流量的增加,流道内旋涡的分布范围逐渐减少,同时涡量也逐渐减小;在蜗壳第三断面处,沿径向取3个压力脉动监测点,发现随着直径的增大,压力脉动幅度逐渐减弱,同时隔舌位置的压力脉动远大于蜗壳其他位置。     

风力机近尾迹区域气动噪声分布和传播规律的实验研究

以S系列新翼型水平轴风力机为研究对象,利用声阵列法对S系列翼型风力机的近尾迹区域声场噪声分布和传播规律进行了实验研究。利用丹麦B&K公司的振动噪声采集分析系统在风洞开口试验段,在保证额定来流风速10m/s不变,对不同尖速比下的S系列翼型水平轴风力机风轮下游进行噪声测试,并且对最大声压级进行了分析。结果表明：风轮在旋转过程中,风力机风轮下游同一截面不同尖速比下噪声最大声压级的分布规律是在测试截面上由圆心沿半径增大的方向依次经过三个压力脉动变化强烈的区域,它们是测试圆心区域、中心涡区域、叶尖涡区域,测点在上述三个区域都会出现声压级的峰值,并且在叶尖涡区域声压级的峰值达到最大;在同一尖速比不同截面下风轮近尾迹区域噪声传播变化规律是沿着x轴正方向远离风轮旋转平面的测试截面上中心涡区域和叶尖涡区域半径增大,不断向外迁移。     

侧风影响下航空器尾涡LES数值模拟

为保障航空器运行安全、提高飞行效率,用ICEM CFD 和Fluent软件采用大涡模拟（LES）方法对不同侧风下航空器进场尾涡进行数值模拟,研究进近阶段侧风对尾涡的影响。本文阐述了大涡模拟的原理,构建了空客A330-200机翼的构型和高网格质量的计算域,并模拟仿真飞机在无侧风条件下和侧风分别为3、5 、7 m/s的尾涡,量化分析侧风对尾涡演化规律和扩散趋势的影响。结果表明,侧风越大,尾涡的耗散速度越快 ,并且侧风对下风涡的影响大于上风涡。     

明渠湍流横向涡旋的尺度与环量特征

为了分析明渠湍流中横向涡旋的尺度与动力学特征,利用自主研发的高频粒子图像测速系统测量了6种水流条件下的明渠恒定均匀流时间序列流场,使用涡旋提取方法识别涡旋,提出一套简洁客观的涡旋尺度及环量确定方法,分析了明渠湍流横向涡半径与环量的特征。涡旋的无量纲尺度与强度仅与所在位置有关,与雷诺数等其它因素均无关系。从壁面附近至对数区的上边界,涡旋的平均半径增大。受水面影响,半水深以上的涡旋半径有逐渐减小的趋势。在粘性作用下,涡旋的平均环量由壁面至水面总体呈减小趋势。时均剪切对逆向涡旋的尺度与强度均有抑制作用,其平均尺度与环量在全水深均小于正向涡。     

淹没射流流场演化过程研究

摘要：采用大涡模拟方法（LES）研究了淹没射流紊动流场的演化过程,分析了速度、压力、涡量的演化规律和它们之间的内在联系。研究发现,压力场等值线呈一簇簇同心圆分布,沿射流轴线方向圆心高压和圆心低压交错分布,随着射流的进行,同心圆随射流下移并伴有变形、分裂、融合等现象;分析速度场发现射流轴线处存在高速流体团脱落现象,在固定点处的速度和压力大小有很好的负相关关系;分析涡量场发现涡旋的摆动造成了射流主体的摆动,涡旋的存在导致了压力场圆心低压和圆心高压交错分布的现象。     

矩形平板涡街分布特性分析

基于有限体积法数值求解Navier-Stokes方程,分析了二维矩形平板的旋涡分布规律及斯特罗哈数特性与平板长宽比和雷诺数的关系,并探讨了平板升力系数变化规律。研究表明,层流状态下平板斯特罗哈数及平板附着涡分布与雷诺数和平板长宽比密切相关。当雷诺数为200时,斯特罗哈数随着平板长宽比的增加呈线性规律变化,平板两侧仅有两个附着涡;但当雷诺数为300时,平板附着涡数量取决于长宽比,而斯特罗哈数则呈跳跃性规律变化;结合Realiza-ble k-ε模型进行的湍流条件下的数值计算则表明高雷诺数下的平板两侧没有明显的附着涡产生,而斯特罗哈数则以长宽比8为分界点表现出不同的变化趋势。     

双辐板涡轮盘轴向通流旋转腔流动换热数值研究

采用计算流体力学商用软件CFX对双辐板涡轮盘腔进行三维稳态数值模拟,针对固体盘温度分布和流动结构及换热情况比较复杂的中心轴向通流旋转腔进行数值分析.轴向通流旋转腔流动换热具有周期性特征:腔内在一个周期中形成了一对涡团,其形状基本保持不变,并在盘中旋转;盘壁面的对流换热系数在一个周期内基本保持不变.     

非定常流Weis-Fogh机构在零航速减摇中的应用

由于Weis-Fogh机构的仿生机构可以在零航速下产生升力,因此可以用来进行零航速减摇.基于势流理论建立的Weis-Fogh机构升力模型忽略了翼缘的分离涡对翼的作用,所以不能更好地模拟实际流场.因此基于点涡模型建立Weis-Fogh机构升力模型,并对Weis-Fogh机构张开时所产生的升力进行了数值计算.通过对有分离涡的Weis-Fogh机构升力和没有分离涡的Weis-Fogh机构升力之间的对比,发现前者产生的升力远大于后者.最后同实验数据进行了比较,证明该点涡升力模型可以更好地模拟翼上产生的升力.     

用平行轴旋转法解决空间几何问题

在画法几何投影变换中,不论用换面法或旋转法,一般位置直线均需两次变换才能变成投影面垂直线.给出了一般位置直线绕平行轴经一次旋转成为投影面垂直线的方法,从而使平行轴旋转法的应用范围由平面扩展到空间.使其不仅可以解决有关同一平面的几何问题,也可方便地求解空间几何元素间的定位与度量问题.其作图原理及方法是对旋转法内容的重要补充,给求解空间几何问题提供了又一基本工具.     

Study on topology and vortex structure in a diffusion cascade

To further make clear vortex structures in diffusion cascades so as to help understand the mechanisms of vortex affecting loss production, the emergence, evolution and development of secondary flow vortexes, including horse shoe vortex, passage vortex and corner vortex and so on, were discussed mainly through using the topological analysis method and numerical calculation. The concept of a three-dimensional dividing surface between the low energy flow zone and the exterior flow zone was presented. The results show that concentrated shed vortex is located outside the dividing surface (in the outer flow zone) and horse shoe vortex, passage vortex and corner vortex are inside the dividing surface (in the low energy flow zone). Dissipation function is used to measure loss production instead of using entropy production. The results about loss analysis indicate that vortex motion directly causes loss production, namely, peak value of loss is generally located around the core of vortex and that maximal loss happens around the dividing surface other than in the low energy flow zone. Supported by the National Natural Science Fundation of China (Grant No. 90718025)     

Ignition,flame propagation and extinction in the supersonic mixing layer flow

The supersonic mixing layer flow, consisting of a relatively cold, slow diluted hydrogen stream and a hot, faster air stream, is numerically simulated with detailed transport properties and chemical reaction mechanisms. The evolution of the combustion process in the supersonic reacting mixing layer is observed and unsteady phenomena of ignition, flame propagation and extinction are successfully captured. The ignition usually takes place at the air stream side of braid regions between two vortexes due to much higher temperature of premixed gases. After ignition, the flame propagates towards two vortexes respectively located on the upstream and downstream of the ignition position. The apparent flame speed is 1569.97 m/s, which is much higher than the laminar flame speed, resulting from the effects of expansion, turbulence, vortex stretching and consecutive ignition. After the flame arrives at the former vortex, the flame propagates along the outer region of the vortex in two branches. Then the upper flame branch close to fuel streamside distinguishes gradually due to too fuel-riched premixed mixtures in the front of the flame and the strong cooling effect of the adjacent cool fuel flow, while the lower flame branch continues to propagate in the vortex.     

住宅室内空气污染物排放的三维大涡数值模拟

为改善自然通风方法驱除室内空气污染物的效果，对开窗换气时室内空气污染物排放规律进行了研究.采用Fluent 6.1计算软件，用大涡模拟方法(LES)对整套住宅在自然通风时室内空气污染物排放过程进行了数值模拟，根据不同的房间类型及通风口布置方式设置两种工况，得到了流场和污染物质量分数场数据.数值模拟结果表明：自然通风时流场中的回流区显著影响换气效果.与单开口房间相比，多开口房间内流速较高，回流区较小，其污染物稀释速度为单开口房间的4~10倍.将单开口房间变为多开口房间、减小和破坏多开口房间回流区可有效提高换气效果.