空气动力学学报

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《空气动力学学报》2020年1期pdf合集

2020, 38(1): .

摘要(110) PDF(180)

摘要:

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关于旋涡定义的思考

吴介之, 杨越

2020, 38(1): 1-8. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0171

摘要(306) HTML (88) PDF(745)

摘要:
针对旋涡定义这个长期未解决的难题，在分析历史上提出的几种思路的基础上，本文提出：定义旋涡的总目标，应当体现其管状运动形态，并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合；该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果，并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此，本文根据涡量场演化的已知规律，提出了旋涡的一个动力学定义，作为继续深化讨论的参考。同时提出，人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据，虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用，但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下，近十年来形成的涡量面理论，有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。

先进战斗机过失速机动模型飞行试验技术

何开锋, 刘刚, 毛仲君, 汪清, 贾涛, 章胜

2020, 38(1): 9-20. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0088

摘要(168) HTML (158) PDF(1404)

摘要:
具有过失速机动能力的战斗机在近距空战中能够取得快速占位、先敌瞄准、有效规避攻击的战术优势，是先进战斗机的标志性性能要求。模型飞行试验技术作为空气动力学研究三大手段之一，在解决飞行器技术难题、实现技术创新方面发挥了重要作用。本文介绍了中国空气动力研究与发展中心利用带动力自主控制模型飞行试验平台发展的过失速机动模型飞行试验技术，以及开展的先进战斗机构型典型过失速机动模型飞行试验，分述了在大迎角非定常气动建模、宽量程气流系参数测量、大迎角非线性控制、推力矢量控制、大迎角非定常气动参数辨识方面的研究工作与解决这些关键问题的技术途径。通过此项研究，在国内首次实现了先进战斗机构型缩比模型典型过失速机动飞行，相关研究成果可为先进战斗机实现过失速机动飞行能力提供有力的技术支撑。

连续伴随方法在二维高超声速进气道优化中的应用

高昌, 张小庆, 贺元元, 吴颖川, 乐嘉陵

2020, 38(1): 21-26. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0214

摘要(129) HTML (38) PDF(220)

摘要:
针对连续伴随方法，开展在二维高超声速进气道优化中的应用研究。进气道构型采用基于特征线法设计的曲面压缩进气道，运用自由曲面变形FFD方法对进气道外压缩面参数化控制，在黏性情况下基于连续伴随方法以进气道流量为目标开展优化研究。采用三套网格研究外压缩面壁面灵敏度的影响因素，结果表明壁面灵敏度对边界层网格依赖性较强；通过有限差分法对连续伴随方法得到的目标函数梯度进行验证。基于以上方法和结论，采用拟牛顿BFGS方法以进气道流量为目标函数对外压缩面优化，优化后唇口处入射激波实现封口，外压缩面最大法向位移为5.6 mm，进气道流量提高6.3%，整体性能得到提升。优化结果表明，伴随方法可有效应用于高超声速进气道优化。

平板表面薄圆柱绕流摩擦力矢量场全局测量

赵吉松

2020, 38(1): 27-34. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0200

摘要(120) HTML (33) PDF(116)

摘要:
针对壁面摩擦力矢量场测量问题，基于剪切敏感液晶（SSLC）涂层技术建立了一种测量平板表面摩擦力矢量场的方法。该方法基于多视角测量原理，采用六台同步相机从不同方向同时采集SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化，与采用单台相机相比能够降低测量噪声，并且具有测量非定常流动的摩擦力场的潜力。应用该方法测量了平板表面薄圆柱绕流的摩擦力矢量场，结果表明：（1）SSLC涂层能够以彩色方式定性显示壁面摩擦力信息；（2）通过对不同方向观测的SSLC涂层颜色进行分析处理，该方法能够高分辨率测量薄圆柱绕流的摩擦力矢量场，详细地捕获了流动特征；（3）同一份SSLC涂层可以重复使用并且可用于测量不同的摩擦力矢量场。

不同半径圆柱诱导CH₄/空气预混燃烧的计算研究

余亦泽, 徐胜利, 张梦萍, 张竹鹤

2020, 38(1): 35-42. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0098

摘要(139) HTML (48) PDF(143)

摘要:
本文研究不同半径圆柱诱导CH₄/空气预混燃烧流场。采用保自由流5阶WENO格式求解贴体坐标变换后的多组分Euler方程，用基元反应模型描述CH₄/空气燃烧。不同于标准WENO格式通量构造方法，该WENO格式数值通量由方程的解进行WENO插值得到，在曲线坐标系下具有保自由流性质。首先给出了保自由流WENO格式精度和保自由流的数值验证，然后计算圆柱诱导CH₄/空气预混气燃烧流场，并考察不同半径圆柱的影响，给出燃烧流场压力与温度等值线和云图、压力和温度沿过驻点线分布。结果表明：在考核计算结果网格无关性基础上，该WENO格式可准确地捕捉激波和火焰阵面形状、激波和火焰面驻点距离，得到的计算结果和文献结果相符。增大圆柱半径，激波和火焰面被推向来流方向，激波和火焰面之间距离也减小。和TVD格式相比，5阶WENO格式采用四分之一的网格数可得到近似相同的计算结果。

基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法

张军, 张俊龙, 雷红胜, 赵维明, DoolanCon.

2020, 38(1): 43-47, 65. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0063

摘要(144) HTML (37) PDF(100)

摘要:
热线风速仪主要用于湍流流场测量。热线测量的主要误差来源是由环境温度变化导致的热线校准参数的变化。Brunn提出的传统温度效应修正方法在环境温度变化较大的情况下会带来明显的误差。本文经过理论推导，提出了一种新的基于隐式温度修正的二维热线风速仪校准方法，并开展了热线校准实验研究。结果表明：当环境温度变化在4℃范围内时，本文提出的方法与Brunn方法的测量精度相当；当环境温度变化超过4℃时，本文提出的方法的测量精度远高于Brunn方法。

考虑不同四塔形式特大型冷却塔群风荷载极值分布特征与取值探讨

柯世堂, 王浩

2020, 38(1): 48-57. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0058

摘要(100) HTML (30) PDF(107)

摘要:
塔群干扰作用下特大型冷却塔表面风荷载分布非常复杂，尤其是极值模型更加难以预测。首先，以工程中最常见的串列、矩形、菱形、L形和斜L形五种四塔组合形式为例，进行了320种工况的世界最高220 m特大型冷却塔群刚体测压风洞试验。然后，分析了特大型冷却塔局部风压和整体力系数的非高斯和非平稳特征，并基于Hermite法和峰值因子法对比探讨了特大型冷却塔的局部风压极值和整体力系数极值的分布规律，着重讨论了特征角度与局部、整体气动力极值之间的映射关系。最后，提出了冷却塔四塔塔群最大负压极值和整体力系数极值的数学计算模型，建议了考虑不同四塔干扰效应的四塔组合特大型冷却塔群一维极值风压系数估算公式，并验证了上述公式的精确度和有效性。主要研究结论表明：矩形、菱形和L形布置下特大型冷却塔最大负压极值均小于-3.40，矩形布置形式下的负压极值最大，菱形布置下出现强吸力现象的可能性较高；可基于特征角度与塔群脉动风荷载之间的线性关系对特大型冷却塔局部风压极值和整体力气动力极值进行有效预测。

低雷诺数下吹吸气射流对NACA0012翼型气动性能的影响

张志勇, 王团团, 陈志华, 蒋锋

2020, 38(1): 58-65. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0070

摘要(116) HTML (39) PDF(127)

摘要:
基于Favre过滤的大涡模拟方法，对雷诺数Re=10⁴，迎角α=6°下的NACA0012翼型上表面吹吸气射流进行了数值模拟，从翼型周围流场流线图、速度场云图、上下表面压力系数曲线以及上表面边界层位移厚度等多角度地分析了射流位置以及速度变化对翼型气动性能的影响。结果表明：射流位置对翼型气动性能影响较大，且吸气射流要明显优于吹气射流。对于吸气射流，前缘吸气要明显优于中后缘吸气，可有效增升减阻，并减小翼型尾部流动分离，抑制翼型气动参数扰动，其最佳吸气位置随着速度的增大逐渐向下游移动；而吹气射流对翼型气动系数的作用效果较差，但中后缘的吹气射流可减小飞行过程中的气动扰动量，且吹气越大，效果越明显。

喷流流动控制增升效应数值模拟

朱晓军, 李锋, 欧东斌, 周凯, 陆志良

2020, 38(1): 66-72. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0056

摘要(96) HTML (23) PDF(115)

摘要:
飞机的增升系统是影响其起降性的重要因素，为了研究飞机下表面喷流流动控制增升效应，采用数值模拟方法与结构网格求解不可压Navier-Stokes方程，对NACA0012翼型和机翼进行研究。通过改变喷气口的参数来研究其对翼型和机翼气动特性的影响。对于翼型，主要研究喷气口速度和位置对翼型气动特性的影响；对于机翼，主要研究喷气口区域沿展向分布和喷气速度对机翼气动特性和能量利用率的影响。计算结果表明：采用喷气控制可以获得较好的气动特性，增升效果也比较明显，控制效果和上述几个参数均有一定关系。本次研究为机翼喷气口设计以及机翼局部喷气控制展向分布的选取提供了依据。

高速铁路桥梁挡风屏遮蔽效应分析

霍卿, 许建林, 梅元贵

2020, 38(1): 73-81. doi: 10.7638/kqdlxxb-2017.0181

摘要(111) HTML (25) PDF(126)

摘要:
基于三维数值模拟方法，模型考虑实地的地形地貌及毗邻建筑结构的影响，结合位置、风向、来流速度、线路等参数的变化，对百里风区吾普尔大桥挡风屏的遮蔽效应特性进行分析。研究表明：受到毗邻建筑的影响，挡风屏东西两侧的遮蔽效果较中段较弱；地貌结构使得挡风屏附近的涡旋结构增强。受到东侧挡风墙背风侧涡旋结构影响，使得下行线东侧的遮蔽效果明显优于上行线的遮蔽效果，速度折减系数差值约27%，而中段和西侧两线的遮蔽效果相差不大；来流速度的变化不会对挡风屏的遮蔽效果造成影响；风向角增大可以提高挡风屏的遮蔽效果。分析结果为挡风屏的抗风设计及列车的安全运行提供真实可信的参考依据。

“湍流结构研究”专栏简介

2020, 38(1): 82-82.

摘要(76) HTML (65) PDF(178)

摘要:

不可压壁湍流中基本相干结构

杨强, 袁先旭, 陈坚强, 涂国华

2020, 38(1): 83-99. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0117

摘要(155) HTML (32) PDF(361)

摘要:
条带和流向涡作为壁湍流中的两类基本相干结构，对于理解壁湍流的生成演化具有重要意义。本文首先回顾了充分发展不可压壁湍流中，这两类基本相干结构从近壁区到远壁区、从低雷诺数到高雷诺数的发现、发展历程，并着重点论述其自相似和自维持的两个核心特征。然后，进一步讨论基于湍流自维持过程发现的一系列精确相干态，从N-S方程不变解的角度精确地描述了条带和流向涡构成的自维持单元。精确相干态同时具有自维持和自相似特征，且维度更低，构成了充分发展壁湍流的骨架，为采用动力系统理论研究壁湍流奠定了基础。近些年，精确相干态在解释亚临界转捩方面也获得了较大成功，为转捩的研究提供了新的视角，有望从动力系统角度关联湍流与转捩两个经典问题。

基于变分模态分解的壁湍流拟序结构形态研究

王文康, 潘翀, 王晋军

2020, 38(1): 100-106. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0120

摘要(137) HTML (44) PDF(227)

摘要:
应用多分量准二维变分模态分解技术，对直接数值模拟的湍流边界层的流向-法向平面进行了分解。通过对从低雷诺数到中等雷诺数（Re_τ=400~1750）各个工况的瞬时流场的观察，定性地得到了不同模态所对应的物理结构特征。通过两点相关云图形态和倾斜角度的比较，定量地对比了不同模态对应的拟序结构倾角随法向高度的变化。一阶模态主要对应大尺度扫掠/喷射事件，第二阶模态则对应近壁流向涡结构。两阶模态的拟序结构倾角随法向高度的变化趋势与雷诺数呈弱相关，表明大小尺度模态的几何特征在所研究的雷诺数范围内存在自相似性。

壁湍流等动量区对惯性颗粒分布的影响

姚易辰, 许春晓

2020, 38(1): 107-117. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0126

摘要(143) HTML (29) PDF(179)

摘要:
对摩擦雷诺数为1000、颗粒Stokes数为1.0的含颗粒槽道湍流进行了直接数值模拟，采用高斯函数叠加法提取了等动量区的模态速度，对各等动量区内的颗粒分布进行了分析。发现在高动量的核心区，颗粒平均浓度高于非核心区，而浓度脉动低于非核心区。在等动量区界面上，流体速度和颗粒浓度变化剧烈，展向涡结构的出现导致了局部颗粒浓度较低。在等动量区的界面以下，在较高的壁面法向位置，存在大尺度的浓度幅值低而浓度脉动高的结构，其等值线分布与核心区/非核心区界面一致。

展向旋转平板Couette湍流中的多态现象

夏振华

2020, 38(1): 118-127. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0105

摘要(162) HTML (32) PDF(109)

摘要:
展向旋转平板Couette湍流（Spanwise rotating plane Couette flow，RPCF）是旋转壁湍流的标模问题之一，在过去的几十年里，被广泛用来研究旋转对壁湍流的统计和流动结构的影响。近些年，作者及其合作者就该问题开展了一系列直接数值模拟研究工作。该研究不仅发现了旋转在低旋转数和高旋转数时对流动结构和统计的不同影响，还首次在RPCF中发现了多湍流态现象：即在相同的控制参数下，流动可以处在两种不同的湍流态上，这两种不同的湍流态的流动结构和湍流统计差别显著。还发现该多态现象可以在很大的旋转数范围里存在。进一步分析大尺度二次流在不同态的能量传输中的作用，发现在二次流较弱的流态下，二次流起的作用相对较小，能量很大一部分直接从平均流传到剩余场；而当二次流较强时，二次流起到一个能量传输纽带作用。该分析也从侧面验证了大尺度结构在多态现象中占据重要地位的猜想。

槽流的亚临界转捩与局地湍流

陶建军

2020, 38(1): 128-136. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0159

摘要(145) HTML (22) PDF(210)

摘要:
在中低雷诺数时，处于线性稳定的槽道流若受到强扰动可发生亚临界转捩变为湍流。近年人们对该类转捩机理的研究取得重要进展。对于平板泊肃叶流，亚临界转捩之初是稀疏湍流态，其特征结构是远间隔的包含小尺度涡和高低速条带的大尺度的湍流带，可倾斜伸长。该阶段的湍流占比有上限但并非雷诺数的单值函数。随着雷诺数的增加转捩进入平衡局地湍流态，即存在统计定常态，其湍流占比是雷诺数单值函数，可由定向逾渗模型描述。进一步增加雷诺数，湍流带的分裂愈发频繁，最终流场会布满湍流带，在更高的雷诺数时变为均匀湍流。论文概述了为比拟亚临界转捩过程所提出的动力学模型，以及为定量表征管流、平板库艾特流和平板泊肃叶流转捩过程的相似性所提出的局地稳定性参数，并在最后对槽道流亚临界转捩研究的发展做了简要展望。

高超声速边界层流动稳定性实验研究

易仕和, 刘小林, 牛海波, 陆小革, 何霖

2020, 38(1): 137-142. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0129

摘要(177) HTML (40) PDF(178)

摘要:
高超声速条件下边界层转捩相关研究是近年来空气动力学领域的研究热点。通过采用基于纳米粒子示踪平面激光散射（Nano-tracer-based planar laser scattering，NPLS）技术以及温敏漆等测试技术，对高超声速边界层的流动稳定性开展了实验研究。通过NPLS技术，对圆锥边界层中第二模态波精细结构进行了测量，并基于时间相关的测量结果，对第二模态波的波长和频率进行了分析。针对裙锥边界层NPLS结果，计算了特定位置上功率谱空间分布结果，测量得到了高次谐波成分。通过温敏漆和NPLS结果，发现主导三角翼前缘边界层转捩的模态为行进横流模态，分析了该模态的特性，并且与Kulite传感器测量得到的频率进行比较。

高超声速圆锥边界层失稳条纹结构实验研究

沙心国, 郭跃, 纪锋, 袁湘江, 沈清

2020, 38(1): 143-147. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0141

摘要(129) HTML (39) PDF(259)

摘要:
边界层转捩的准确预测是高超声速飞行面临的关键气动问题之一。为研究高超声速边界层失稳和转捩机理，以前缘半径1.6mm、半锥角7°的圆锥模型为研究对象，在FD-07高超声速风洞中采用红外热图技术开展边界层转捩实验测量。通过与工程计算结果对比，确认模型表面边界层流态。实验结果表明：有迎角条件下，模型表面中后段出现条纹结构，条纹结构的起始位置随着周向角的增加而向上游移动；随着迎角的增加，条纹起始位置向上游移动，条纹强度差异和条纹与模型中心线的夹角越来越大。实验获得的条纹结构与不同频率扰动波相互作用直接数值模拟获得的条纹结构现象一致。通过对比分析，认为边界层内不同频率扰动波相互作用是产生条纹结构的一种机制。

凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

王德鑫, 褚佑彪, 刘难生, 李祝飞, 杨基明

2020, 38(1): 148-159. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0111

摘要(97) HTML (38) PDF(147)

摘要:
采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma_∞=3、雷诺数Re_θ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况，计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现：尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度，导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值，因此分离点难以越过拐角向上游运动，而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是，钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角，因此分离点和再附点都会发生运动。此外，尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构，但在经过入射激波作用之后，近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。

磁流体湍流中的结构和能量传输

万敏平, 杨艳

2020, 38(1): 160-170. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0150

摘要(139) HTML (48) PDF(212)

摘要:
磁流体湍流中存在多种相干结构，包括电流和涡旋结构。文章主要对近几年有关磁流体湍流相干结构及其相关的能量传输的一些工作进行了介绍。不同于中性流体湍流中的管状结构，磁流体中的相干结构多呈现为片状，强电流片附近也存在强涡片结构。磁流体湍流中的能量级串使能量跨尺度从大尺度传递至小尺度；与中性流体湍流能量传输主要集中在相近尺度上不同，磁流体湍流除了动能传输，还有磁能传输，以及动能与磁能之间的跨尺度互相转换。研究表明，磁流体湍流中的能量传输及耗散具有强间歇性，集中在较小区域范围，且与相干结构存在关联。在存在背景磁场的情况下，磁流体湍流中的相干结构在背景磁场方向上被拉长，而同样方向上的能量传输受到抑制。在高马赫数的情况下，激波的产生会使能量传输明显增强，同时带来很强的间歇性，结构函数标度律远远偏离线性标度关系，并且随着阶数的增加，标度指数会达到饱和值。

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

谢锡麟

2020, 38(1): 171-195. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0162

摘要(135) HTML (29) PDF(206)

摘要:
本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论，以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法，称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法，基于基面的沿主方向的参数坐标，然后沿基面的法方向进行空间延拓，以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论，可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率，因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开，所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系，而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面，经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系，从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用，本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式，曲面上流体边界层方程的分量方程，曲面介质相关守恒律方程等。

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2020年第38卷第1期

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