《旋渦強度對邊界層旁路轉捩影響的實驗研究》是依託北京航空航天大學，由何國勝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：旋渦強度對邊界層旁路轉捩影響的實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：何國勝
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鈍體繞流尾跡與層流邊界層相互作用是流體力學的基本問題，尾跡誘導的邊界層旁路轉捩對許多工程機械的性能有很大的影響。本申請針對鈍體尾跡中包含大尺度旋渦這一主要特徵，研究不同尾跡渦強度影響下邊界層的旁路轉捩機理及影響規律。在水槽中套用氫氣泡流動顯示和粒子圖像測速技術對該問題進行實驗研究。綜合運用小波分析、動力學模態分解和渦辨識等多種數據處理技術，分析邊界層對外部湍流尾跡的感受性、擾動在邊界層內的放大機制、尾跡渦與邊界層內的擬序結構的相互作用、擬序結構在邊界層的演化過程和定量化的統計特徵。對不同強度尾跡渦影響下的轉捩過程進行對比和劃分，得到定量化的影響規律，加深對尾跡誘導的邊界層旁路轉捩機理的認識，並且為今後旁路轉捩的控制提供新的思路和科學依據。
結題摘要
尾跡與邊界層相互作用在在工程上有許多套用，比如大型飛機多段翼和航空發動機多級葉片的設計。本實驗採用定性的氫氣泡流動顯示和定量的粒子圖像測速（PIV）技術，研究了不同強度尾跡渦與邊界層相互作用規律，重點關注了邊界層的旁路轉捩機理。研究結果表明，流場的統計特性和擬序結構演化取決於尾跡與邊界層的相互作用強度 （G/D, G 為圓柱高度，D為圓柱直徑）。隨著G/D的降低，邊界層內擾動增長加快。當G/D≤2.0， 壁面邊界層會產生分離並形成二次渦。 當 G/D=2.0，二次渦與下尾渦無直接相互作用；當G/D=1.0，二次渦與下尾渦發生直接相互作用；當G/D=0.5，會發生二次渦、下尾渦、上尾渦之間複雜的三渦相互作用。採用本研究提出的虛擬粒子追蹤技術可以對渦-渦相互作用進行了很好的顯示。以G/D=2.0為典型工況深入研究了邊界層從層流轉捩為湍流的全過程。採用有限時間李雅普諾夫指數（FTLE）方法提取了流場中的瞬時拉格朗日擬序結構，從朗格朗日角度觀測了轉捩過程中擬序結構的演化規律及統計特性，結果顯示二次渦失穩形成的Λ渦會進一步演化成為馬蹄渦，馬蹄渦再通過自繁殖和自組織形成大尺度的馬蹄渦包。利用FTLE定量化的特性，提取出了拉格朗日擬序結構的對流速度，並且首次得到了拉格朗日擬序結構傾角在邊界層內不同高度的分布，更進一步研究了這一幾何特徵從層流到湍流的變化規律。本研究揭示了不同尾跡強度對邊界層旁路轉捩的影響規律，增進了對鈍體尾跡影響下邊界層旁路轉捩機理的認識。為今後鈍體尾跡誘導邊界層旁路轉捩的控制提供新的思路和科學依據。
