角區三維分離流附著鞍點結構機理及流動控制研究

《角區三維分離流附著鞍點結構機理及流動控制研究》是依託北京航空航天大學，由張華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：角區三維分離流附著鞍點結構機理及流動控制研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張華
• 項目類別：面上項目

項目摘要

附著鞍點結構是角區較低雷諾數下三維旋渦流動中發現的有別於傳統分離概念的局部分離流結構，這種局部分離結構及其特性尚未得到普遍接受和深入認識，其形成機制、影響因素、演化規律及其控制機制等是角區流動研究中尚未解決的基礎問題，具有重要的理論研究價值。另一方面,對於角區較高雷諾數下整體渦結構的抑制與控制研究價則具有廣泛而重要的工程套用背景。本申請提出綜合採用PIV、LDV等定量測試技術,引入小孔抽吸、等離子激勵主動控制技術以及小干擾柱體被動控制技術等，輔以數值模擬手段，深入研究角區三維流動較低雷諾數下局部附著鞍點結構的形成機制、影響因素和演化規律，揭示附著鞍點結構與Lighthill經典分離結構的關係，探索附著鞍點結構的控制方法和控制機制，該項研究對於深化認識三維分離流結構和機理具有重要意義。此外研究探索角區流動在較高雷諾數下整體旋渦結構的抑制方法和控制機制，為角區流動控制工程套用提供技術基礎。

結題摘要

本項目主要研究角區三維分離流涉及的三個基礎性、套用性問題：一是研究角區附著鞍點拓撲結構的形成機制、影響因素和演化規律，探索Lighthill經典三維分離模式與附著鞍點拓撲的關係；二是研究附著鞍點拓撲結構的控制方法與控制機理；三是研究角區馬蹄渦總體結構的工程控制方法與控制機理。綜合採用風洞和水槽中的流動顯示、PIV實驗、壓力分布測量以及數值模擬等手段開展相關研究。 在基礎性研究方面，進一步證實了角區多種條件下附著鞍點拓撲的存在性，揭示了角區附著鞍點拓撲與常規分離鞍點拓撲之間的演化和參數影響規律。分別從壁面摩擦應力與摩擦力線寬度綜合變化等三個方面詳細分析了附著鞍點拓撲的演化機制。基於近壁極限流線流管質量守恆的分析,提出應從壁面摩擦應力與極限流線寬度綜合變化來判斷三維分離拓撲:當摩擦應力與摩擦力線寬度二者乘積沿流線持續減小時，流動將體現為常規的分離鞍點，當摩擦應力與摩擦力線寬度二者乘積沿流線持續增加時，流動將體現為附著鞍點，分析表明角區附著鞍點結構是Lighthill經典三維分離模式的一種特例。據此提出了附著鞍點演化的判據，通過計算和實驗驗證了上述判據的正確性，同時通過微抽吸等方法實現了對附著鞍點演化的控制，驗證了附著鞍點演化的控制機理分析。上述結果擴展了對三維分離流動結構的認識，推廣了Lighthill經典三維分離模式在附著鞍點情況下的適用性，深化了對於三維分離拓撲結構演化機制以及控制機理的認識。 在套用性研究方面，針對湍流角區三維分離馬蹄渦的控制和抑制目標，採用角區上游布置微小梯形與三角形渦流發生器對、上游小干擾柱體、二維與三維槽道等被動控制方法、以及電漿激勵等主動控制方法，研究發現上述控制方法中除小干擾柱體之外均獲得了理想的馬蹄渦控制和抑制效果，獲得了上述控制方法的參數影響規律，分析了控制的物理機理。該研究為發展工程套用中可能的幾種角區馬蹄渦控制方法提供了重要的參考依據。