非定常流动

摘要： 采用非定常雷诺平均的数值模拟方法,针对GEE3双级涡轮的一级转子和二级静子的时序效应对内部三维非定常流动的影响机制进行了深入分析。研究发现一级转子时序效应不会引起二级静子进口流动条件发生改变。不同的静子时序位置,1.5级涡轮时均效率相差不到0.1%;但改变了损失沿展向的分布,使时均效率沿展向位置的变化剧烈。不同的转子时序位置,双级时均总效率沿展向分布不同,在中径处最大差值为0.4%,效率变化最明显的位置处于80%展向高度以上接近叶尖的区域。各转子时序位置对应两级时均效率没有发生改变。

摘要： 针对内燃机进排气流动计算模型难以满足在现有计算效率的基础上提高计算精度的问题,本文推导建立了变网格一维非定常流动计算方法。在均匀网格TVD格式基础上,推导建立适用于内燃机进排气流动计算的非均匀网格TVD迭代格式,并结合自适应网格加密技术,建立可变网格一维非定常流动数值仿真计算方法。结果表明:与采用均匀网格的整机仿真模型相比,采用变网格计算20个循环平均增加CPU计算耗时2.08 s,排气压力波预测精度较均匀网格计算方案最大可提高5.15个百分点,整机性能预测精度较均匀网格最大可提高0.54个百分点。

摘要： 为了精确分析离心泵叶轮内复杂的非稳态流动特性,基于泵内流动的大涡模拟(large eddy simulation,LES)数值计算结果,在设计工况及小流量工况下对叶轮内非定常相对速度场进行动态模态分解(dynamic modal decomposition,DMD),得到能够反映叶轮内复杂流动特征的前4阶主要模态及其相应的频率信息。分析结果表明:DMD方法能够有效识别叶轮内复杂流动的脉动频率,提取出相应的流场结构,将叶轮内复杂的流场特征分解为基本模态特征、反映叶轮流道内流动分离及不稳定涡结构的高阶动态模态特征;基本模态能够反映由流道几何形状引起的叶轮出口高速射流区与低速尾迹区及叶片背面流动分离区域。设计工况速度场2阶~4阶动态模态流场反映出叶轮内流动受蜗壳干扰在叶片背面产生的流动分离及不稳定涡结构脱落特征;小流量工况速度场动态模态表征了由于叶轮旋转及蜗壳干扰在流道内发生流动分离、失速等流场特征。通过DMD方法能够有效地对叶轮内重要流场结构进行低维近似,清楚地分析离心泵叶轮内复杂流场的非定常特性。

摘要： 为了研究离心泵叶轮在启动过程以及流体作用力下的动态特性,采用单向流固耦合的方法获取离心泵启动过程中叶轮的动态特性,分析了不同工况下稳态径向力的分布规律以及非定常流动下叶轮所受瞬态径向力的变化规律,并通过谐响应分析获取叶轮在瞬态径向力下所产生的结构振动特性。研究发现:叶轮在启动阶段所受径向力先急剧增大而后减小,最后稳定到30 N处波动,其振动幅值先急剧增大后减小到0.01 mm处后稳定波动;非定常流动作用下叶轮所受瞬态径向力出现周期性变化,在频率为101.67,610 Hz处,叶轮振动幅值明显增大,表明在这2个频率处叶轮易出现振动失稳。

摘要： 往返大气层跨流域飞行器的气动力和气动热计算一直是当前流体力学研究的难点和热点之一。由于该类飞行器面临的流动场景不再是单一的连续流或稀薄流,采用Navier-Stokes方程求解器或DSMC方法均不能获得全流域的准确结果。近年来,以不依赖于连续性假设的Boltzmann模型方程为基础,通过在位置空间和速度空间同时离散求解该方程,实现了跨流域问题的统一求解。本文对该类算法的研究进展进行回顾和分析,着重介绍气体动理论统一算法(Gas kinetic unified algorithm,GKUA)、统一气体动理学格式(Unified gas kinetic scheme,UGKS)和改进离散速度方法(Improved discrete velocity method,IDVM)3种数值途径,分析它们的基本假设和实现方式,关注它们目前取得的进展和应用情况。同时,本文还将IDVM进一步扩展到非定常情形,以便用于非定常跨流域问题求解。最后,本文对该类算法存在的一些问题进行讨论,期望在后续的研究中能予以解决。

摘要： 针对气波机振荡管内气体非定常流动特性难以通过实验捕捉、二维数值计算不能完全真实模拟高压气体运动过程等问题,首先进行了双开口气波制冷机三维非定常流动数值计算模型开发,并验证了模型的可靠性;然后研究了振荡管内非定常流场流动特性,并得到了振荡管内多点激励载荷。研究结果表明:振荡管内流体压力波动范围为-15~85 kPa,温度波动范围为249~372 K;振荡管内沿通道高度方向的流体压力和温度分布基本不变,但靠近高压端口的管内流体沿通道长度方向的压力和温度都有较大梯度。研究结果为进一步分析气波机的压力交换制冷机理、振荡管流致振动和延寿提供了技术支持。

摘要： 流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征,进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象,通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性;根据流场特性,分析武器舱内噪声产生机理,提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验,系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响,并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明:内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主;前舱在舱门小开度时总声压级较高,随开度增加后舱总声压级增大,舱门开到一定程度后,舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度,使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层,减弱武器舱内的能量注入,进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内,前缘扰流片的降噪效果最为显著,降噪幅值达5 dB。

摘要： 针对上面级点火无卸压结构的级间热分离形式,采用非定常流动和双体六自由度耦合模型对分离载荷和喷流状态进行数值模拟研究。结果表明:级间分离流场随分离距离增加呈现出显著的非定常特性,并伴随出现超声速射流近场冲击、旁泄流动、分离流动、射流撞击以及远场冲击等流动形态。随着分离距离变化,分离载荷出现先快速增加、后快速减小,进而再波动减小的规律。

摘要： 为了研究离心式消防泵外特性、内流特性及空化特性,基于RNG k-ε湍流模型对某一比转数为24.7的离心式消防泵不同工况下的内部非定常流动进行数值模拟.结果表明:在关死点工况下,离心式消防泵叶轮内部产生大量的失速旋涡,尤其在叶轮出口位置出现面积较大且极高湍动能的涡核分布,严重影响流道的通流能力,且造成较大的能量损失;随着流量增大,流道内的旋涡逐渐消失,流场趋于稳定,涡核分布基本保持稳定且对称;随着流量持续增大,离心式消防泵轴向力逐渐增大,在极小流量和极大流量工况下的轴向力波动相对较强;随着流量增大,径向力逐渐降低,且不同工况下径向力的矢量分布均呈现六齿形分布;随着流量的增大,离心式消防泵扬程特性曲线受空化的影响更加明显,随扬程曲线开始下降时的NPSHR也逐渐增大,但下降速度相对较慢.

摘要： 对于中小迎角分离问题,延迟分离涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation,DDES)的方法在计算初期,流动分离区需要一定时间的发展,通常会延迟RANS模式到LES模式的切换,从而低估流动分离。本文采用改进RANS-LES混合长度尺度l hyb_new的方法,对网格尺度和涡探测函数VTM进行修正,基于计算流体力学开源平台OpenFOAM,将修正后的混合网格尺度、涡探测函数VTM new以及二维剪切层识别函数F KH(VTM new)植入到S-A DDES模型中,研究了大迎角NACA0012翼型以及12°迎角下的NACA0012半展长矩形机翼绕流问题,并对比了采用原S-A DDES和改进RANS-LES混合长度尺度后的S-A DDES湍流模型计算的机翼背风区涡结构和翼尖涡。结果表明,采用本文方法可以在机翼背风区观察到剪切层的快速失稳,并且能够更加精细地模拟机翼背风区的大尺度非定常涡系结构以及翼尖涡的形成细节,有效地加快DDES方法的RANS模式切换到LES模式。此外,本文还计算了该矩形机翼在18°迎角的分离流问题,进一步验证了所提方法的有效适应性。

摘要： 非定常流动干涉所带来的气动、传热、结构和噪声等各方面的不利影响是进一步提高航空燃气涡轮的技术难题之一,对三维非定常流动机制的认识已经成为提高涡轮设计水平的迫切需要.本文采用非定常雷诺平均的数值模拟方法,对某双级涡轮内部三维非定常流动的时空演化机制进行了深入分析.研究发现,上游转子叶片排端壁处通道涡结构和泄漏涡等三维非定常流动结构与相邻下游静子叶片排之间发生强烈相互作用,但由于静子叶片内通道涡结构的稳定性,扰动速度流线分布完整而有序.时序效应对下游叶片排流动状态的影响比对上游叶片排流动状态影响显著,但由于下游叶片进口气流角度的周期性变化将对叶片排势场产生影响,进而通过势场之间的相互作用间接影响到上游叶片表面压力波动.

摘要： 为探究低速轴流压气机叶尖非定常流动特征,本文对低速轴流压气机单转子进行了三维定常及非定常数值模拟,计算结果表明:在近失速工况下,叶尖区存在明显的非定常流动现象;叶尖处的高静压扰动区出现在主流与泄漏流的交界面和受二次泄漏流影响的叶尖压力面处;二次泄漏流动是影响叶尖间隙流量变化的主要原因.此外,本文还对不同间隙大小,不同流量工况的叶尖非定常流动特征进行了探究,发现叶尖间隙越大越容易出现非定常流动现象.

摘要： 本文采用数值计算和试验相结合的方法,分别对口环间隙为0.25mm,0.50mm和0.75mm的离心泵外特性以及内部流动特性进行了研究.重点分析了不同口环间隙对叶轮进口主流以及泵内流动的影响.结果表明:数值计算结果与试验结果有良好的一致性.研究发现口环间隙的变化,改变了叶轮进口的流动状态,对进口流动造成一定的影响.随着叶轮口环间隙的增大,离心泵扬程随之减小,口环泄漏量随之增大,导致离心泵容积效率明显降低.口环间隙宽度的变化对前泵腔压力分布影响较大,随着口环间隙的增大,口环两侧的压力差也随之降小,对叶轮进口流动影响区域随之增大.熵产方法研究发现,离心泵泵腔区内的能量损失最多,口环间隙的增大,泄漏量造成的能量损失也随之增大.

摘要： 本文采用分离涡模拟方法(IDDES)对方背Ahmed模型尾迹区的双稳态现象进行了仿真研究.研究结果表明,IDDES可以准确捕捉到尾迹区的双稳态特性,其呈现出两种关于垂直中截面对称的流动结构,这两种流动状态在约为1000H/U∞的长时间尺度内动态随机转换,该尺度远远大于典型的涡脱落和剪切层不稳定性的周期.通过本文的研究,一方面加深了对类车体尾迹区非定常流动的认识;另一方面可以为探索新型的主被动减阻措施提供理论依据.

摘要： 网格变形技术是含有动边界的非定常流动仿真的关键技术,广泛应用于在气动弹性、气动外形优化、飞行器结冰、多体分离仿真等领域.基于径向基函数法的网格变形技术不需要网格点之间的连接关系,适用于任意拓扑的网格变形,且网格变形质量较高,近年来在仿真领域得到了广泛关注.但该方法计算量和内存需求非常大,无法直接应用于数值仿真.针对该问题,大量学者对该算法进行了改进,提出了一系列基于径向基函数法的网格变形技术,取得了较大成功.对基于径向基函数法的网格变形技术及其改进算法进行了简要的总结.

摘要： 压敏漆(PSP)测试技术是飞行器风洞实验大面积定量测压和流动显示的重要工具.本文简要介绍快响应PSP技术原理,压敏涂料性能,动态标定装置,高超风洞实验设备.在高超声速风洞中分别对平板圆柱、压缩拐角和气膜冷却模型进行了PSP试验,得到了非定常连续压力场数据和气膜冷却效率分布云图.试验结果表明,压敏漆技术能测量非定常流动的流场结构同时得到很好的定量压力数据,能有效用于气膜冷却流动和传热特性的研究.

摘要： 目前关于离心泵非定常流动的仿真模拟只考虑了内部流体水力激振力对其运行的影响并且假定转速是恒定的,然而在工程实际中离心泵的运行还会受到转子轴系和电机电磁力矩的影响,且转速不稳定.为了使仿真更切合工程实际,结合CFD仿真软件FLUENT和系统仿真软件MATLAB各自的优点,基于TCP/IP通信协议设计了软件通信的接口程序,建立了双向同步耦合仿真平台,实现了离心泵内部流动非定常求解过程中的转速和转矩数据传输,并且通过算例仿真验证了该方法的可行性与实用性.

摘要： 为了研究不同导叶数的混流泵内部流场压力脉动情况,应用商业软件Numeca分别对模型1(4叶片、11导叶数)和模型2(4叶片、7导叶数)进行非定常数值模拟.通过设置监测点,得到了叶轮和导叶位置的压力脉动结果,并进行了频域分析.结果表明,模型1和模型2的叶轮内,工作面尾缘的脉动幅值大于前缘,背面前缘的脉动幅值大于尾缘,压力脉动最大值出现在叶片工作面尾缘,而导叶内压力脉动幅度均由叶片前缘到尾缘逐渐减小.除此之外,随着导叶叶片数增多,叶轮叶片工作面尾缘最大压力脉动幅值位置的压力脉动幅值增大,可以采用减少导叶叶片数的方法降低此部分的压力脉动幅值.

摘要： 为了研究不同导叶数的混流泵内部流场压力脉动情况,应用商业软件Numeca分别对模型1(4叶片、11导叶数)和模型2(4叶片、7导叶数)进行非定常数值模拟.通过设置监测点,得到了叶轮和导叶位置的压力脉动结果,并进行了频域分析.结果表明,模型1和模型2的叶轮内,工作面尾缘的脉动幅值大于前缘,背面前缘的脉动幅值大于尾缘,压力脉动最大值出现在叶片工作面尾缘,而导叶内压力脉动幅度均由叶片前缘到尾缘逐渐减小.除此之外,随着导叶叶片数增多,叶轮叶片工作面尾缘最大压力脉动幅值位置的压力脉动幅值增大,可以采用减少导叶叶片数的方法降低此部分的压力脉动幅值.

摘要： 为了研究不同导叶数的混流泵内部流场压力脉动情况,应用商业软件Numeca分别对模型1(4叶片、11导叶数)和模型2(4叶片、7导叶数)进行非定常数值模拟.通过设置监测点,得到了叶轮和导叶位置的压力脉动结果,并进行了频域分析.结果表明,模型1和模型2的叶轮内,工作面尾缘的脉动幅值大于前缘,背面前缘的脉动幅值大于尾缘,压力脉动最大值出现在叶片工作面尾缘,而导叶内压力脉动幅度均由叶片前缘到尾缘逐渐减小.除此之外,随着导叶叶片数增多,叶轮叶片工作面尾缘最大压力脉动幅值位置的压力脉动幅值增大,可以采用减少导叶叶片数的方法降低此部分的压力脉动幅值.

摘要： 一种基于生成式对抗网络的平面叶栅定常流动预测方法，首先，对平面叶栅CFD仿真实验数据进行预处理，在仿真实验数据中划分出测试数据集和训练数据集。其次，依次构建Encoding‑Forecasting网络模块、构建深度卷积网络模块、构建生成式对抗网络预测模型。最后，在测试集数据上进行预测：对测试集数据采用相同方式进行预处理，并按保存的最优的预测模型的输入要求调整数据维度；通过预测模型得到进气攻角为10°时的平面叶栅流场图像。本发明能够有效避免轴流压气机内部传感器测量范围有限的问题，其预测结果与CFD的计算结果高度吻合，具有较高的预测精度；基于数据驱动，通过训练不同数据集可以将模型方便地应用于不同叶型的轴流压气机的流场预测中，具有一定的普适性。

摘要： 本发明公开了一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，包括如下步骤：以单通道网格为输入输出全环网格，并标注每一个网格块所在的压气机叶排；将所有的网格块散布到不同的进程，在存储流场时每个进程单独输出其所分得的网格块上的流场，并为每一个叶排建立一个文件夹；依次读取各个叶排的流场数据，计算流场参数；根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件。本发明具备将多级压气机非定常的海量流场数据在单机上可视化的能力；本发明具备抽取并单独处理多级压气机中任一叶排的能力；本发明具备自动提取二维切面的能力和将流场文件大小缩小约一个数量级的能力。

摘要： 本发明公开了用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，包括步骤：对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算；从计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；将过渡段进、出口边界模型数据周向复制扩展至全周；在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，分别根据过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；对过渡段进口按周向扩展后的进口边界模型数据和所建上游转子坐标系设置进口边界条件；对过渡段出口按周向扩展后的出口边界模型数据和所建下游转子坐标系设置出口开放边界条件；对过渡段进行其它项设置，完成非定常流动计算。本发明计算量小、操作简单、不受流体仿真软件的功能限制。

摘要： 本发明涉及基于锥齿轮传动的可调相位与频率非定常流动控制装置，结构包括锥齿轮、引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，射流喷口。通过设计进气流路，将外部高压气体引入射流喷口，驱动缝栅旋转发生器带动一根缝栅进行旋转并通过锥齿轮传动带动具有一定相位差的另一缝栅进行旋转，在两侧射流出口处产生一定频率的脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。优点：通过基于锥齿轮传动的旋转缝栅相位差的优势，达到相位可调的不同频率的双侧流动激励，能够依靠很小的射流量产生比较显著的控制流动分离情况。双侧相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。

摘要： 本发明涉及一种基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，包括引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，控制射流喷口。通过设计引气流路，将外部高压气体引入角区两侧射流喷口，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的缝栅旋转，在射流出口处产生脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。优点：本发明装置可在角区产生不对称流动分离的情况下，通过缝栅的相位差的优势，达到相位可调的不同频率的流动激励，这种较小的非定常控制激励能够依靠很小的射流量产生显著的控制流动分离情况。装置相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。

摘要： 本发明公开了一种基于颤振小翼的非定常流动控制方法，属于流体机械技术领域。本发明在被控气动部件产生流动分离的分离点附近设置颤振小翼，所述颤振小翼流向位于分离点前、后5%L范围内，L为被控气动部件的特征长度，所述颤振小翼展向与分离点的距离为分离区高度h的5%～50%之间。本发明不需要外接气源或电源等能量源，也无需复杂气路或电路系统，仅依靠自身结构就能从主流中提取能量发生颤振，从而产生用于抑制流动分离的非定常激励，提高被控气动部件的压比、效率、总压恢复、稳定裕度等性能指标，具有结构简单、无需外部能量源、工程实用性强等优势。

摘要： 本发明公开了用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，包括步骤：对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算；从计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；将过渡段进、出口边界模型数据周向复制扩展至全周；在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，分别根据过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；对过渡段进口按周向扩展后的进口边界模型数据和所建上游转子坐标系设置进口边界条件；对过渡段出口按周向扩展后的出口边界模型数据和所建下游转子坐标系设置出口开放边界条件；对过渡段进行其它项设置，完成非定常流动计算。本发明计算量小、操作简单、不受流体仿真软件的功能限制。

摘要： 本发明涉及基于锥齿轮传动的可调相位与频率非定常流动控制装置，结构包括锥齿轮、引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，射流喷口。通过设计进气流路，将外部高压气体引入射流喷口，驱动缝栅旋转发生器带动一根缝栅进行旋转并通过锥齿轮传动带动具有一定相位差的另一缝栅进行旋转，在两侧射流出口处产生一定频率的脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。优点：通过基于锥齿轮传动的旋转缝栅相位差的优势，达到相位可调的不同频率的双侧流动激励，能够依靠很小的射流量产生比较显著的控制流动分离情况。双侧相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。

摘要： 本发明公开了一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，包括如下步骤：以单通道网格为输入输出全环网格，并标注每一个网格块所在的压气机叶排；将所有的网格块散布到不同的进程，在存储流场时每个进程单独输出其所分得的网格块上的流场，并为每一个叶排建立一个文件夹；依次读取各个叶排的流场数据，计算流场参数；根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件。本发明具备将多级压气机非定常的海量流场数据在单机上可视化的能力；本发明具备抽取并单独处理多级压气机中任一叶排的能力；本发明具备自动提取二维切面的能力和将流场文件大小缩小约一个数量级的能力。

摘要： 本发明涉及一种基于旋转缝栅的可调频率和相位非定常流动控制实验装置，包括引气口，缝栅进气流路，旋转缝栅，缝栅出气流路，驱动缝栅旋转发生器，控制射流喷口。通过设计引气流路，将外部高压气体引入角区两侧射流喷口，通过驱动缝栅旋转发生器带动一定相位差的缝栅旋转，在射流出口处产生脉冲射流，利用脉冲射流与流场的相互作用，对分离流进行抑制，以此来降低或削弱角区中的分离情况。优点：本发明装置可在角区产生不对称流动分离的情况下，通过缝栅的相位差的优势，达到相位可调的不同频率的流动激励，这种较小的非定常控制激励能够依靠很小的射流量产生显著的控制流动分离情况。装置相位可调，频率可控，结构简单，体积重量小，工作性能可靠。