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激流丝扰动下回转体边界层流动转捩的模态特征

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实验流体力学 2024年第2期38卷 59-67页

作者：赵祎佳肖加兵刘建华李孝检赵明天津商业大学机械工程学院天津300134 天津大学机械工程学院天津300354 中国船舶科学研究中心深海技术科学太湖实验室无锡214082

水下航行体首部边界层转捩会产生较强的噪声,严重影响其通信及探测性能。为探明诱发水动力噪声的主要流动结构,本文以SUBOFF缩比模型为研究对象,采用高速水洞实验及大涡模拟方法,获得激流丝扰动下的水下回转体边界层流场。研究发现:边... 详细信息

水下航行体首部边界层转捩会产生较强的噪声,严重影响其通信及探测性能。为探明诱发水动力噪声的主要流动结构,本文以SUBOFF缩比模型为研究对象,采用高速水洞实验及大涡模拟方法,获得激流丝扰动下的水下回转体边界层流场。研究发现:边界层内流动在激流丝下游形成分离泡,在分离泡中后部发生转捩,诱发了大量多尺度非定常涡系。采用本征正交分解方法研究了边界层转捩区流向、法向速度脉动及压力脉动的模态特征,发现流向速度脉动的主导模态是分离泡及其沿流向的破碎和下游流向涡,其中分离泡区域流向速度脉动为低于3000 Hz的复合频率,下游流向涡为低于200 Hz的低频结构。法向速度脉动与压力脉动模态特征相似,都呈现出高频、宽频脉动特征,在分离泡附近强度最大。由此推测,分离泡及其破碎是边界层转捩的主要诱因,其诱发的法向速度脉动是产生高/宽频噪声的主要原因,流向速度脉动仅与低频噪声有关。

关键词：水下回转体激流丝大涡模拟本征正交分解模态特征

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基于IPDG方法的嵌套网格技术

航空动力学报 2022年第6期37卷 1206-1216页

作者：赵博赵明刘伟李孝检刘正先天津大学机械工程学院力学系天津300350 电子科技大学计算机科学与工程学院成都611731

在内罚间断伽辽金(IPDG)方法框架内应用嵌套网格技术求解了二维可压缩Navier-Stokes方程。通过把黏性通量作为辅助变量实现了Navier-Stokes方程的降阶,继而用间断有限元方法进行离散得到空间半离散方程。时间推进采用Newton-Krylov隐式... 详细信息

在内罚间断伽辽金(IPDG)方法框架内应用嵌套网格技术求解了二维可压缩Navier-Stokes方程。通过把黏性通量作为辅助变量实现了Navier-Stokes方程的降阶,继而用间断有限元方法进行离散得到空间半离散方程。时间推进采用Newton-Krylov隐式方法。利用库埃特流动精确解验证了该方法的精度。在此基础上,对包括有黏NACA0012翼型绕流、定常和非定常的圆柱绕流在内的若干典型测试算例开展数值模拟,进一步验证了该方法的鲁棒性和可靠性。在嵌套网格中应用了h型网格自适应技术用于提高激波分辨率,对NACA0012翼型无黏跨声速绕流开展数值模拟,结果表明:自适应之后的单元数相比无自适应时只增加了8.4%,但是激波分辨率得到了显著提高,激波附近的计算结果也与实验值符合得更好,从而验证了该方法的有效性。

关键词：二维可压缩Navier-Stokes方程嵌套网格间断伽辽金方法内罚方法 h型网格自适应技术

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超临界二氧化碳离心叶轮耦合优化设计

热力发电 2023年第11期52卷 10-19页

作者：鲁雪李孝检刘彬天津大学机械工程学院天津300350 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

自循环机匣处理能够显著提升超临界二氧化碳离心叶轮小流量区域的气动性能,但对大流量工况附近的性能提升不明显。为此,考虑自循环机匣与叶轮关键参数的耦合效应,对机匣几何和叶轮叶片掠角实施耦合优化,实现了叶轮性能的全面提升。耦合... 详细信息

自循环机匣处理能够显著提升超临界二氧化碳离心叶轮小流量区域的气动性能,但对大流量工况附近的性能提升不明显。为此,考虑自循环机匣与叶轮关键参数的耦合效应,对机匣几何和叶轮叶片掠角实施耦合优化,实现了叶轮性能的全面提升。耦合优化后叶轮在大流量工况、设计工况及小流量工况下的效率分别提升了3.51%、2.60%、4.43%。耦合优化的扩稳增效机理为:在大流量工况下改善了叶片前缘进口攻角,减小了叶轮内部亚临界区,抑制了冷凝的同时改善了叶轮内部流通能力;设计工况下机匣的抽吸量增大,叶顶附近更多低能流体被移除,改善了叶轮下游流场结构;小流量工况下显著减小了叶轮内部堵塞面积,叶轮流动稳定性增强,同时改善了机匣回流造成的掺混损失,叶轮效率提升。

关键词：离心叶轮超临界二氧化碳自循环机匣处理耦合优化

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跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

航空动力学报 2023年第2期38卷 491-503页

作者：薛鹏飞刘正先李孝检赵明天津大学机械工程学院天津300350

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速... 详细信息

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是:自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。

关键词：离心压气机自循环机匣处理稳定工况范围耦合优化敏感性分析混合优化算法

一种基于相位度量的低速压气机前失速特征分析方法

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推进技术 2022年第12期43卷 327-333页

作者：王颖刘正先李孝检刘洋李继超杜娟天津大学机械工程学院天津300350 中国科学院工程热物理研究所北京100190

轴流压气机流动失稳现象是制约高性能航空发动机发展的瓶颈问题之一,为了研究前失速流动不稳定性演化特征并探究及时有效的失速预警方法,对低速单转子轴流压气机周向八组静压时序信号进行分析,提出了一种基于相位度量的压气机前失速特... 详细信息

轴流压气机流动失稳现象是制约高性能航空发动机发展的瓶颈问题之一,为了研究前失速流动不稳定性演化特征并探究及时有效的失速预警方法,对低速单转子轴流压气机周向八组静压时序信号进行分析,提出了一种基于相位度量的压气机前失速特征分析方法。首先发展了时延互相关分析方法,精确捕捉传感器信号间的时滞相位差,分析时延处理后对称信号的时延互相关系数变化特征。其次,基于相关系数提出了一种扰动相位度量,获得了扰动的时空演变特征图像,并基于最大扰动相位持续时间分析了前失速阶段时延互相关系数阶段性变化机理和流动不稳定性特征。分析结果表明:与传统互相关分析相比,时延互相关分析有效地消除了周向空间位置差造成的时序信号时间滞后相位差,排除了周向空间位置的非物理干扰,更好地呈现压气机前失速流动状态的微观物理特征。提出的扰动相位度量不仅可挖掘流动失稳存在的阶段性变化特征,还能用于检测压气机周向几何不均匀性。

关键词：航空发动机轴流压气机旋转失速流动失稳扰动时延互相关分析

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基于PINN方法的不可压流场求解

船舶工程 2023年第11期45卷 150-155页

作者：刘宇豪刘正先李孝检天津大学机械工程学院天津300350

将残差网络(Res Net)结构引入物理信息神经网络(PINN),提出一种基于Res Net的PINN方法(Res Net-PINN)。采用该方法对二维不可压圆柱绕流尾迹流场进行重建和预测,结果表明:Res Net-PINN能更准确地重建绕流尾迹的非定常变化规律;在圆柱绕... 详细信息

将残差网络(Res Net)结构引入物理信息神经网络(PINN),提出一种基于Res Net的PINN方法(Res Net-PINN)。采用该方法对二维不可压圆柱绕流尾迹流场进行重建和预测,结果表明:Res Net-PINN能更准确地重建绕流尾迹的非定常变化规律;在圆柱绕流尾迹的短期预测方面,Res Net-PINN的预测精度和收敛速度相比全连接PINN均能提升3倍左右。Res Net能提高PINN对非定常流场的求解和预测能力,该研究可为采用机器学习方法求解更复杂流动问题提供参考。

关键词：物理信息神经网络残差网络圆柱绕流尾迹流场重建与预测

自循环机匣处理对某型柴油机增压器压气机的稳定工况范围及性能影响研究

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内燃机工程 2023年第6期44卷 1-9页

作者：田津津吴彩霞李孝检张哲赵祎佳天津商业大学机械工程学院天津300134 天津大学机械工程学院天津300350

针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力。结果表明:自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量。压气机的失稳和堵... 详细信息

针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力。结果表明:自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量。压气机的失稳和堵塞流量分别与叶片前缘及叶片扩压器中的堵塞程度相关。小流量侧自循环机匣通过抽吸叶轮叶顶附近低能流体,缓解堵塞,推迟失稳。但在大流量侧自循环机匣的喷射效应会增大扩压器进口攻角,加剧扩压器叶片流动分离,减小堵塞流量。抽吸效应与喷射效应强度均取决于抽吸槽的位置和宽度,压气机稳定性和堵塞流量与抽吸槽参数的变化基本呈负相关。自循环机匣对气动性能的影响包含两方面:在抽吸槽前,经回流槽流出的流体与主流的掺混及其产生的进口畸变将带来额外的效率和压比损失,适当减小回流槽角度可以降低该损失;在抽吸槽下游,得益于抽吸效应对叶顶流动状态的改善,压气机抽吸槽附近及下游高熵区减小,做功能力增强,气动损失大幅降低。在上述两方面共同影响下,压气机设计点气动性能最终得以提高。

关键词：增压器压气机自循环机匣处理全通道数值模拟稳定工况范围气动性能

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高精度IPDG湍流模拟及通量格式数值特性

空气动力学学报 2023年第11期41卷 94-102,I0002页

作者：郝世熙丁秋实魏桐刘正先刘伟李孝检赵明天津大学机械工程学院天津300350 电子科技大学计算机科学与工程学院成都611731

为更高精度数值求解复杂湍流问题,在内罚间断伽辽金(internal penalty discontinuous Galerkin,IPDG)方法框架内发展了基于SST k-ω模型的湍流模拟方法,通过对亚/跨/超声速工况下流场的数值计算与湍流特征捕捉,验证了方法的适用性,进而... 详细信息

为更高精度数值求解复杂湍流问题,在内罚间断伽辽金(internal penalty discontinuous Galerkin,IPDG)方法框架内发展了基于SST k-ω模型的湍流模拟方法,通过对亚/跨/超声速工况下流场的数值计算与湍流特征捕捉,验证了方法的适用性,进而系统分析了AUSM、Lax-F、HLL和Roe 4种通量格式在IPDG湍流模拟中的数值特性。结果表明:AUSM格式在超声速工况下脱体激波面“褶皱”现象明显;Lax-F格式和HLL格式数值耗散大,在激波解析方面精度较低,且Lax-F格式在激波脚后诱导产生流动分离;Roe格式具备宽速域适用性,计算精度较高且能精确解析激波结构。

关键词：间断伽辽金内罚方法通量格式 SST k-ω湍流模型

基于线性稳定性理论的瞬态稳定性分析及其未来应用

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基于线性稳定性理论的瞬态稳定性分析及其未来应用