针对液压阀内漩涡流场及其诱发振动噪声的非定常流动激励力特性,采用计算流体力学方法对内部漩涡流动进行了数值计算,分析了阀内涡系结构的成因及流动特性,对比了不同漩涡识别方法捕捉阀内涡系结构的特性。结果表明:液压阀的流量特性为快开型,阀内不同节流段的压力损失特性不同。液压阀内出现分离涡、对冲涡、死区涡和迪恩涡四种典型的漩涡结构,漩涡的成因各异。在不同工况下,迪恩涡区域的压力脉动均较强,且受流量和漩涡的叠加影响,压力脉动幅值与阀门开度不是线性相关,在50%阀门开度时,压力脉动幅值最大。对比4种不同涡识别方法发现,Ω-Liutex方法有助于识别液压阀内漩涡结构。

针对仿生锯齿尾缘的降噪特性,将其应用到以NACA65-010叶型为原型通过加弯技术设计出的小型轴流风机上,通过风洞实验对比分析原型风机、传统锯齿尾缘风机与倾斜锯齿尾缘风机的气动特性,并在半消声室里通过Brüel&Kj?r手持式声强分析仪测量3种尾缘结构的风机噪声特性,研究倾斜角对风机尾缘噪声的影响。结果表明:在1 800 r/min转速下,倾斜锯齿尾缘风机在全流量范围内可使风机噪声下降1.15~2.38 dB,比传统锯齿尾缘风机降噪效果好,其中倾斜角φ=30°时降噪效果最佳,风机的比A声级下降1.87 dB;锯齿尾缘风机全压均有所下降,最高降低了8.3%。

前缘缝翼是通过延缓流动分离和失速,提高飞机机翼升力,将前缘缝翼引入高负荷离心风机动叶的气动设计,以抑制叶片吸力面的边界层分离、改善风机气动性能,并基于数值模拟方法研究前缘缝翼起始位置和偏转角两个几何参数对风机流场与气动性能的影响。研究结果表明,30%弦长处为最佳开缝位置,其总压升和效率最大增幅分别达到13.1%和1.2%。动叶前缘缝翼的存在加速了后叶片吸力面流体的流动,抑制了后叶片尾部边界层的分离,且具有动叶前缘缝翼的离心叶轮速度分布更加均匀,压升更大。动叶前缘缝翼的开缝位置对提高离心风机总压升和效率具有重要的影响。

通过控制双圆弧叶型两段圆弧相切点半径、切点处叶片角两个参数,设计多种双圆弧离心风机模型,采用计算流体力学获得风机性能和流场数值解,研究中间圆系数、叶片角系数对性能的影响。结果表明,双圆弧离心叶轮设计中中间圆系数取0.7时,整机性能平稳,效率和压升较高;在叶轮进口段叶片角缓慢增长而在出口段叶片角的快速增大有利于减小流动损失,改善流场品质,提高风机效率。

采用大涡模拟技术对长耳鸮翅膀展向20%、40%和60%截面处翼型的非定常湍流场进行数值模拟,并基于Lighthill声类比方法对非定常流场诱导的声场进行计算,研究上述仿生翼型的气动与声学性能。研究结果表明:三种仿生翼型均具有高升阻比特性,其中20%、40%截面处翼型的升力系数较高,5°攻角下分别为1.86和1.72;20%截面处翼型阻力系数最高,且在强烈的逆压梯度下,20%和40%截面处翼型气流在压力面前缘开始分离,在下游处自由剪切层产生了明显的不规则涡结构;翼型尾缘处,涡流脱落后在尾迹区发生涡结构破碎;60%截面处翼型载荷分布最均匀,附面层增长缓慢,因而该翼型流场的涡量相对较小,使得其诱导噪声较低。声学计算结果表明,三种仿生翼型的最大声压级分别为85.8、78.6和74.8 d B。

基于大涡模拟(LES)技术对NACA6510翼型二维绕流流场进行数值模拟,研究吸力面圆弧型沟槽相对位置、相对深度对翼型气动特性与涡流结构的影响规律。研究表明在小攻角下,沟槽表面对翼型的升、阻力系数影响很小,在大攻角下升、阻力系数明显减小。气体流经沟槽结构时会在内部形成反向二次漩涡,其脉动主频为上、下游主频的2倍,相对深度不同其内部漩涡特性呈现不同规律。在一定条件下,沟槽涡流失稳,存在周期性的涡流产生、发展和脱落,翼型尾缘保持了上游及沟槽内压强脉动的频率特性,脉动幅值逐渐增强。随着沟槽深度的增加,翼型尾缘压强脉动幅值呈先降后升的分布趋势。沟槽较浅时,沟槽的存在对频率特性的影响不明显;沟槽达到一定深度后,压强脉动频率发生突变且明显降低。

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。

基于计算流体力学计算了3种叶型安装角βb(r)径向分布的离心风机流场,研究了βb(r)径向分布的变化对叶轮流道内气流角、惯性力及风机性能等参数的影响,为离心风机叶片造型阶段实现叶轮流道内流动的精细控制提供了依据。研究结果表明,βb(r)分布会显著影响叶轮流道内物理参数的变化趋势,对叶轮出口参数周向分布影响较小。进、出口参数相同时,风机外特性因βb(r)分布的不同存在明显差异。惯性力流线法向分量对叶轮出口附近吸力面边界层的发展趋势会产生影响,其大小与流线曲率有关。

基于NACA0018翼型,将波状前缘、锯齿尾缘和表面脊状3种仿生结构进行耦合,形成WSR翼型,并采用大涡模拟和FW-H方法研究了WSR翼型在不同雷诺数和攻角下的流场和噪声特性。结果表明在小攻角、低雷诺数下WSR翼型可降低噪声5 dB左右;在大攻角下,锯齿尾缘结构加剧了尾缘处流动掺混,改变了尾迹涡结构,降低了翼型尾缘处的涡量,进而使噪声降低8 dB左右。

针对翼型表面的流动分离,采用数值模拟方法研究随行波结构流动控制的机制。为了验证计算方法的可靠性,将翼型表面静压曲线与实验测试结果进行对比,发现两者吻合程度较好。数值计算结果表明,适当增加随行波的相对弦长长度,有助于改善翼型的气动性能。当攻角小于3°时,随行波位于分离点之前,沟槽内形成顺时针旋转的二次涡,有助于加速边界层低速条带;在大攻角下,随行波位于分离点之后,顺时针卷起的分离涡在沟槽内形成逆时针旋转的二次涡,与分离涡互为反向涡对,减小了尾缘分离区范围。翼型表面随行波能有效地控制边界层流动。