● 摘要
摘 要 翼/身交接区形成的分离旋涡流动是典型的流场干扰和三维分离结构，包含了层流与湍流、分离与旋涡、定常与非定常等丰富而复杂的流体力学基本现象，而且在航空、航天等工程领域具有广泛的应用，如机翼与机身、发动机短舱与机身、涡轮发动机叶片与轮毂、潜艇塔台与艇身甚至桥墩与河床之间的干扰均属于该范畴。因而深入研究干扰区的流动现象和机理，特别是影响干扰区的三维分离和旋涡产生和运动的机制，进而为控制和消除干扰区的不利影响提供依据，具有重要的意义。 综合采用水洞与风洞流态显示、水洞粒子图像测速(PIV)、风洞测压、风洞测速等实验技术手段，详细研究了翼/身干扰区的三维分离与三维旋涡特性、影响因素及其运动机理。 利用流动显示技术研究了不同模型与平板干扰的角区流动结构，探讨雷诺数、迎角和后掠角等参数对干扰产生的马蹄涡系特性的影响，分析翼/身干扰的物理机理，探索不同翼/身干扰之间的相关特性。此外还详细研究了后掠圆柱/平板以及后掠机翼/平板干扰情况下产生的有别于马蹄涡的干扰涡系即背涡的特性，探索背涡与马蹄涡之间的关系。 利用PIV测量技术对层流翼/身干扰流场进行了详细研究，根据定常干扰与非定常干扰的丰富定量信息，分析研究了马蹄涡非定常脱落模态的脱落机制，以及层流马蹄涡非定常振荡模态下旋涡奇点形态演化的物理机制；此外还测量分析了背涡的详细结构； 根据PIV实验的结果对层流翼/身干扰的分离模式和旋涡结构进行拓扑分析，重点在于揭示翼/身干扰的马蹄涡系在一定条件下存在着有别于传统分离的“附着鞍点”（平板表面）或“附着半结点”（干扰区对称平面）结构，此外还分析讨论了马蹄涡系和后掠干扰背涡系的拓扑结构。 利用表面平均压力、脉动压力测量技术和空间脉动速度热线测量技术，研究干扰区湍流非定常马蹄涡的平均压力分布和脉动信号的频域、时域和概率密度分布等特性，并研究了用小边条等措施改善干扰区的流动特性的效果。 本论文的创新之处归纳为以下几点：1.对马蹄涡特性的参数影响进行了详细研究，对马蹄涡特性随雷诺数的变化进行了更为详细的归类，指出在同一雷诺数下的非定常脱落模态还可划分为“脱落－下移－驻留－绕合”模态以及“脱落－下移－耗散”模态，两种模态的转化主要取决于模型头部形状，其影响的实质是改变了马蹄涡轴局部的拉伸程度，进而影响脱落涡的耗散；对于不同后掠圆柱的马蹄涡非定常脉动频率特性曲线，发现可以用法向雷诺数将不同曲线统一起来，说明反映逆压梯度大小的法向雷诺数是非定常脉动频率的主控参数；2.发现在干扰区下游还存在着有别于上游马蹄涡的空间干扰背涡涡系，并详细研究了背涡的结构、背涡的破裂特性以及背涡与马蹄涡的干扰，讨论了背涡产生的机制。在翼/身干扰的相关文献中尚未看见有关背涡的报道和研究；3.通过PIV实验发现，非定常马蹄涡从上游涡系脱落的机制是：随着雷诺数增大主涡强度逐步增强，同时从壁面喷发的反向二次涡强度也进一步增大，并形成强度和尺度较大的反向二次涡“涡舌”，该“涡舌”将突入整个涡系所在的边界层厚度尺度，最终将主涡与上游涡系隔离，并使其从旋涡生成区涡系脱落，此后反向涡量的涡舌将卷绕着主涡并向角区移动，这一现象将影响脱落涡量与反向涡量之间的交叉扩散（中和）；4.通过PIV实验证实了，层流翼/身干扰存在着有别于传统分离模式的“最上游附着奇点结构”，即对称面最上游的流线不是从壁面向上抬起而“分离”，而是向壁面附着，因此表面油流汇聚线只能看成是流动从壁面“分离”的必要条件；指出干扰区对称面上存在三种可能的传统“最上游分离奇点”拓扑结构以及三种可能的新的“最上游附着奇点”拓扑结构，这些拓扑结构的奇点指数和都满足拓扑规则；5.通过上游干扰区脉动压力测量分析，表明湍流非定常马蹄涡的脉动压力概率密度体现为多峰值分布，比双峰值分布代表的单一频率周期性分离结构更丰富和复杂；指出较弱的翼/身干扰趋向于单一频率的周期性结构，较强的翼/身干扰为具有低频带宽的复杂周期成分结构。