非定常尾迹控制叶栅分离研究

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_shear和尾缘脱落涡频率f_shed,研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动等激励特征控制流动分离的效果。结果显示:特定外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,f_shed能同时影响分离区域和尾涡区域,f_shear只能作用于分离区域;尾迹从吸力面向压力面移动时,分离结构表现出对来流周期性更明显的响应;进口随机脉动对破坏K-H展向涡结构非常有效。     

部分相干涡旋光束形成的相干涡旋特性研究

推导出部分相干涡旋平顶光束的传输解析公式,并用以研究了聚焦场和自由空间中部分相干涡旋光束形成相干涡旋的特性.结果表明,相干涡旋与光束阶数N,空间相干参数α和参考点位置(x1,y1)有关.依赖于参考点的选择,光谱相干度可能存在零值点,也可能没有零值点.特别是,若选取x1=y1=0,光谱相干度零值点处的位相可以是确定的,因而不存在相干涡旋.     

入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz涡的响应特性

通过直接数值求解Navier-Stokes方程,研究了入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz(KH)涡结构的响应特性,结果清晰地展示了KH涡的独特演化方式.基于流动可视化数据,采用两点相关性分析获得了流场拟序结构的空间尺寸和结构角分布.通过分析不同激励频率下涡结构的动态特性,揭示了入流激励下可压缩剪切层中KH涡结构的独特演化机理.研究结果表明,低频入流激励(f=5 k Hz)下KH涡尺寸在远场区域达到饱和后呈现锁频状态,KH涡量厚度稳定在12-14 mm之间;与自由剪切层涡结构通过配对合并的方式实现生长的机理不同,低频入流激励下剪切层的发展是通过中间涡核顺时针吞噬KH不稳定波诱导的一串外围小涡结构来实现生长.此外,针对高频激励(f=20 k Hz)下的剪切层流动,研究了涡结构特性和入流激励参数之间的定量关系,发现均匀分布涡结构的尺寸近似等于对流速度与入流激励频率之比.     

劈缝射流尾迹特征的实验研究

本文以简化透平叶片模型为对象,采用热线风速仪和粒子图像测速技术研究了尾缘劈缝射流尾迹结构,结合本征正交分解方法分析了不同射流速度比对尾迹时均特性、脉动特性以及旋涡运动特性的影响规律。结果表明:低动量射流时下板上表面流体分离,该侧剪切层在尾迹中振荡,影响旋涡配对和输运机制,模态中出现特殊带状结构;随射流速比增大,最大尺度旋涡强度增大,促进射流与主流剪切掺混,尾迹速度亏损更快被弥补,高阶频率脉动结构减少,动能损失小,因此在劈缝射流中应避免采用低动量射流。     

用信号分析技术研究转子尾迹

本文讨论如何用数字统计函数定量地研究转子速度尾迹,建立转子基元级工作状况与尾迹的关系,通过功谱图可以定量地分析出干扰源的频率及其强度;从相关图上可以得到τ=0时的相关值R_x(0),即尾迹的总功率,它包括叶片通过频率和全部非稳定工作引起的噪音与损失。叶片通过频率幅值最大、尾迹总功率最小的状态是压气机最佳工作状态,各基元级非稳定工作状态的发生和发展反映在尾迹总功率变化规律上,可以用它确定最先发生失速的基元。由转子尾迹特征参数和紊流度可以求出旋转叶栅损失,为修改设计提供参考依据。     

电流调控磁涡旋的极性和旋性

提出了一种特殊自旋阀结构, 其极化层(钉扎层)磁矩沿面内方向, 自由层磁矩成磁涡旋结构. 自由层在形状上设计成左右两边厚度不同的阶梯形圆盘. 微磁学模拟研究发现, 通过调控所施加的高斯型脉冲电流的大小、方向和脉冲宽度, 可以实现磁涡旋的不同旋性、不同极性的组态控制. 分析了该结构中电流调控磁涡旋旋性和极性的物理原因和微观机理.     

D型平板绕流尾迹流场测试与POD分析

以D型平板为研究对象,运用激光多普勒测速(LDA)与粒子成像测速(PIV)技术,开展了雷诺数ReD=3×10~3～4×10~4、弦厚比L/D=1～8之间的D型平板绕流尾迹流场量测与分析。利用本征正交分解(POD)法对尾迹流场进行模态分解,提取其中能量占比较高的前几阶模态,以探究雷诺数与弦厚比对D型平板绕流尾迹结构的影响。试验结果表明:St数随雷诺数的变化可分为"下降区"、"过渡区"和"动态稳定区"三个区域,在"动态稳定区"随着雷诺数增大St数趋向于0.245;St数随弦厚比的变化呈"条带状"分布在0.23～0.26之间。与其它方案相比,弦厚比L/D=1、雷诺数Re_D=5×10~3时,前两阶模态中旋涡结构的空间分布形态存在明显差异。雷诺数Re_D=4×10~4时,绕流尾迹受弦厚比影响较小,流动处于一种大尺度旋涡结构占主导地位的状态。     

S型叶尖小翼对风轮近尾迹声辐射影响的实验研究

采用5因素5水平的正交实验方法,找到在不同尖速比下均具有较好功率放大效果的S型叶尖小翼结构,对其影响近尾迹流动与声辐射的特征进行了测试。发现该小翼可以打散从风轮叶尖脱落的叶尖涡结构,在测试方位面内形成多个涡量集中区域,而且使叶尖涡内高涡量区域减小,降低叶尖涡的强度。同时,该小翼还可以使叶尖附近的压力脉动衰减,高压力脉动区域缩小,降低声辐射的强度,有效降低近尾迹中的声压级,靠近风轮附近测点的最大声压级降幅超过10dB,在1倍风轮直径下游位置的声压级降幅为2~7 dB.对S型叶尖小翼影响近尾迹流动和声辐射的研究,为提高风力机性能和降噪途径的探索积累了经验.     

气固两相槽道湍流拟序结构变动的PIV测量

运用粒子成像测速仪(PIV)对壁面雷诺数为Re_τ=430、质量载荷为0.25×10~(-3)～5×10~(-3)的110μm聚乙烯颗粒加入前后的水平槽道湍流变动进行了研究。实验结果表明低载荷下气相湍流变动源于颗粒对湍流拟序结构的作用。颗粒的存在抑制了湍流拟序结构的发展,使得湍流准流向结构长度减小、猝发频率降低、猝发强度减弱;另外,颗粒尾涡脱落还导致了壁面附近的气相剪切雷诺应力增强。     

基于POD方法开缝圆柱绕流流场的研究

利用粒子成像测速技术（particle image velocimetry,PIV）,在水槽中探究缝隙对圆柱流场结构的影响,应用频谱分析和本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法,研究了开缝圆柱流场相干结构.实验Reynolds数范围内,缝隙的"吹吸"作用从根本上改变了圆柱绕流近区尾流结构,前6阶模态形态是流场中最主要的相干结构.第1,2阶模态形态控制着圆柱绕流流场涡街相继脱落过程,1或2阶模态系数为尾迹涡的固有频率;第3,4阶模态形态控制着脱落旋涡沿流向方向能量运输;第5,6阶模态形态中的同向涡旋结构作用于旋涡缓慢脱离柱体这一过程,并对旋涡能量起着衰减作用.      

磁涡旋极性翻转的局域能量

针对坡莫合金纳米圆盘中的单个磁涡旋结构,采用微磁学模拟研究了磁涡旋极性翻转过程中的局域能量密度.磁涡旋的极性翻转通过与初始涡旋极性相反的涡旋与反涡旋对的生成,以及随后发生的反涡旋与初始涡旋的湮没来实现.模拟结果显示当纳米圆盘样品中局域能量密度的最大值达到一临界值时,磁涡旋将会实现极性翻转,其中交换能起主导作用.基于涡旋极性翻转过程中出现的三涡旋态结构,应用刚性磁涡旋模型对局域交换能量密度进行了理论分析.通过刚性磁涡旋模型得到的磁涡旋极性翻转所需的局域交换能量密度的临界值与模拟结果符合得较好.     

二维圆盘颗粒体系声学行为的数值研究

数值测量了卸载过程中二维单分散圆盘颗粒系统的横波、纵波声速、声衰减系数、非线性系数随压强的变化以及声衰减系数随频率的变化.结果表明,二维(2D)圆盘颗粒体系的横波、纵波声速均随压强呈分段幂律标度:当压强P10~(-4)时,横波、纵波声速随压强的增大而减小;当P10~(-4)时,有v_t~P~(0.202),v_l~P~(0.338).进一步得到其剪切模量和体积模量的比值G/B也随压强呈幂律标度,G/B~P~(-0.502),暗示在低压强下,与三维(3D)球形颗粒体系类似,2D圆盘颗粒体系也处于L玻璃态.水平激励和垂直激励下2D圆盘颗粒系统的衰减系数随频率变化也呈现分段行为:当频率f0.05时,衰减系数不随f变化;当f0.05时,横波纵波的衰减系数α~f;当f0.35时,横波衰减系数α_T~f~2,纵波衰减系数α_L~f~(1.5).此外,竖直水平激励下的2D圆盘颗粒系统的非线性系数和衰减系数随压强也呈现与声速类似的分段规律:当P10~(-4)时,横波非线性系数β_T~P~(-0.230),其余都不随压强变化.当P10~(-4)时,两者均随压强增大呈幂律减小:β_T~P~(-0.703),β_L~P~(-0.684),α_T~P~(-0.099),α_L~P~(-0.105).进而得到2D圆盘颗粒系统中散射相关的特征长度?~*随压强呈幂律标度,当P10~(-4)时,?~*~P~(-0.595);当P10~(-4)时,?~*~P~(0.236).     

混沌动力学方法在等离子体尾迹流场研究中的应用

用混沌动力学方法对多道扫描静电探针的离子饱和电流信号进行分析,研究了等离子体尾迹流场.通过对相关维、Renyi熵和最大Lyapunov指数的分析,得到了近尾流场的分层结构.利用最大Lyapunov指数,观测到了在x>10D以后的远尾流场与自由流场相似.结合探针信号的自相关函数,研究流场湍流结构,发现近尾可能存在大涡拟序结构,而在远尾则没有湍流.观察到了流场具有一定的间歇特征,认为这种间歇性与湍流有关.结果还表明,混沌动力学的分析方法对信号中非周期成分十分敏感,在研究等离子体尾迹流场这一类非线性系统时,它具有明显的优越性 关键词： 混沌动力学 尾迹 等离子体湍流 静电探针     

再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性测量

介绍了在弹道靶上利用二级轻气炮发射再入体缩比模型开展湍流等离子体电磁散射特性模拟试验方法、湍流等离子体的雷达散射截面积(RCS)测量方法。给出了模型尾迹湍流等离子体的电磁散射特性测量典型试验结果,对获得的试验结果进行了分析,并与一阶畸变波Born方法计算结果进行了比较。结果表明:合理选择缩比模型发射速度和飞行环境压力,在弹道靶上能够模拟产生湍流等离子体;利用激光阴影成像技术获得的锥模型尾迹流场图像证实了尾迹转捩的出现及其湍流形成;在给定的试验条件下,锥模型及其绕流RCS测量值比其尾迹RCS测量值高3个数量级,比背景散射电平高0.5~2.5个数量级,且信号没有周期性,幅度脉动范围为1~15dB,频率脉动范围0.4~40kHz;锥模型湍流尾迹RCS的脉动可能是尾迹电子密度的脉动引起的;单站X波段雷达系统测量的锥模型尾迹亚密湍流等离子体的散射信号测量值与计算结果变化规律一致;弹道靶RCS测量技术可用于再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性研究,为开展相关研究提供了一种有效的地面模拟实验研究途径。     

自由液面高度对圆柱绕流特性的影响

本文采用有限体积法和VOF方法,对不同自由液面高度(Z=1D~4D,其中D为圆柱直径)下的圆柱绕流进行了数值研究。研究1×10~4≤Re≤7×10~4范围内,自由液面高度对圆柱绕流流场动力学特性和尾迹旋涡形态的影响。结果表明:自由液面的存在会导致圆柱的阻力系数和升力系数较无自由液面时减小。当Re一定时,阻力系数随着Z的增大而减小,升力系数随着Z的增大而增大。Z=1D时,自由液面的波动和变形较大,圆柱后旋涡形成受到自由液面的扰动,无法完全形成即脱落。随着Z增大,圆柱边界层逐渐向下拉伸,自由液面对圆柱后旋涡形成的扰动作用减弱。当.Z=4D时,圆柱后尾迹旋涡形态已经基本与无自由液面流场的一致,可以观察到标准的卡门涡街图像。     

Y_n(n=2～10)团簇的稳定结构及其光谱性能

运用杂化密度泛函方法(DFT)B3LYP,在LANL2DZ赝势基组水平上对Yn(n=2~10)团簇的多种可能初始构型进行了结构优化和频率及光谱分析,根据能量最低原则确认了Yn(n=2~10)团簇没有虚频的基态结构,且计算得到的结构比以往理论计算得到的结构能量更低,Y2振动频率ωe=188.9 cm-1比以往计算值更接近实验值184.4 cm-1,在此基础上研究了团簇的稳定性和极化率,并分析了Yn(n=2~10)团簇的光谱性能。结果表明,Y7为所研究团簇结构转折点,团簇的电子稳定性随着原子数增加而逐渐减弱。振动光谱分析表明,Yn(n=2~10)团簇中具有较高对称性的C2v和Cs点群具有更多的振动模式,而稳定性较强的Y7和Y9在所研究频段内分别有较好的红外和拉曼活性,有明显的共振现象。     

雪面上光学湍流的测量与估算

 用合肥35 m铁塔测量系统,测量了2008年1月28 日至2月1日雪面上折射率结构常数,并用bulk方法和涡旋相关法估算了折射率结构常数,给出了大气层结稳定条件下的相似函数。结果表明：实验期间,大部分时间雪面上大气处于近中性和稳定状态;采用该相似函数,bulk方法和涡旋相关法估算的折射率结构常数与实测结果一致性很好;雪面上折射率结构常数也存在一定的日变化,但与草坪、海洋、沙漠等下垫面相比小1~2个量级,变化范围为1.9×10^-16~1×10^-14 m^-2/3。     

三种涡旋光光子晶体光纤的设计

为进一步研究光子晶体光纤中涡旋光的传输特性,提出了3种不同结构的涡旋光光子晶体光纤,即三角晶格环形光子晶体光纤(TLPCF)、折射率倒转抛物线式光子晶体光纤(IPGIF)和六重准晶涡旋光光子晶体光纤(SPQCF)。利用矢量有限元分析方法,模拟计算了光纤中各个涡旋光模式的传输特性,研究结果表明:3种涡旋光光子晶体光纤中的模式有效折射率差均大于10~(-4),支持不同数量的涡旋光传输。其中TLPCF的色散系数最小,SPQCF的色散系数最大,两者在宽波段(1400～1700 nm)内均保持了色散平坦趋势;3种光纤的限制性损耗均小于1×10~(-7) dB·m~(-1),能够将光很好地局限在纤芯内部;3种光纤的非线性系数均保持在10~(-3)量级;涡旋光模式稳定传输的距离大于1km。     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

翼型近尾迹流动的PIV研究

利用在线式互相关PIV系统,在低速风洞中对NACA0012翼型的近尾迹流动进行了实验研究。实验结果表明,翼型近尾迹存在有序的涡街结构,涡街在尾缘处形成后,在向下游的迁移中,会经历一个发展壮大,失稳破碎,最终演化为湍流的过程、本文分析了近尾迹流动结构、流动机制,探讨了近尾迹流动中旋涡和涡街的稳定性．本文指出在翼型尾缘处采用恰当的流动控制措施,可以改变尾流与其下游物体相互作用的形式和机制,以达到兴利除弊的目的。