26, 6月 2022
什么是边界层?

杜甫有诗云“射人先射马,擒贼先擒王” 。吴敬梓也曾在《儒林外史》中提到过“做事要‘打蛇打七寸’才妙”。那么流体力学的七寸在哪呢?

相信许多人在毕业答辩的时候,如果汇报了某某CFD的工作,一定会被答辩的老师追问:边界层是直接求解还是壁面函数?Y+是多少?边界层内布置了多少层网格?

一旦回答出现了磕磕巴巴或者给出的Y+值不满足所选的壁面求解方式,大概率等着我们的就是某位答辩老师的咆哮:“边界层都算不准,你还搞什么CFD?”

还记得我们曾在之前介绍的文章中提到过,对于大部分的高雷诺数流动,如果主流区没有大尺度的分离,在主流区使用无粘的欧拉方程+考虑粘性的边界层方程便可以模拟该流动。而即便是出现了大尺度的开式分离,而分离点的位置和分离涡的强度也同样和边界层内的流动息息相关。所以算准了边界层方能赢得流体力学的天下。

流场中的物体表面存在一个很薄的剪切层,即边界层。边界层之外的流动基本可以看做是无粘的,流速即主流区速度。而紧挨着固体表面的流体分子被吸附在表面上,流速为零。于是在固体表面附近,必然存在着一个法向速度梯度很大的区域,这就是边界层。

我们都知道雷诺圆管染色实验中,速度的增加会使得流体从层流过渡到湍流。同样,根据流体的流态,边界层也可以分为层流边界层和湍流边界层:如下图的平板流动所示,在起始阶段,扰动很小,流动表现为层流;越往后则扰动越大,最终转捩为湍流边界层。当然,在层流和湍流之间还存在转捩,转捩来源于壁面对流体的粘滞作用而产生的扰动,而这种扰动在壁面附近具有累积效应,在一定的距离之后诱发转捩。

湍流边界层内的速度呈现明显的脉动特性,但是如果用平均速度的观点来看的话,大致符合上图中所示的速度分布。湍流边界层内的速度分布极其复杂,可以按照受壁面影响的程度分为内层和外层。其中外层受主流区的影响更大,也被称为尾流层。而湍流边界层的内层则受壁面影响很大,又可分为线性底层、过渡层和交叠层。

线性底层的流动由粘性力主导,在有的教科书上也被成为粘性底层,这个区域的流动基本表现为层流。

过渡层,也称缓冲层,这里的速度脉动已经较强,然而平均速度梯度仍然很高,因此强烈的剪切会在此处产生非常高能的小规模湍流,是湍动能产生的主要区域。

再往外就是湍流边界层的内层和外层的交叠区域,因此称为交叠层。这里的速度分布满足对数率,也称对数层。CFDer们都知道许多软件中的壁面函数模型就是在这里生效。

前面,我们回顾了《流体力学》课本关于边界层的基本概念和解释,而想要真正获得边界层的“芳心”,则需要更好的理解它内心的波澜变化,也就是湍动能在边界层内部是如何传播的。

刚刚我们提到在湍流边界层的底部,尤其是在过渡层,由强烈的剪切而产生湍动能。而处于中间的对数层,湍动能的生成约等于耗散。最外层则大致为湍流边界层的尾流层,这里的流动已经比较接近前面的文章中介绍的Cascade现象,湍动能主要体现为耗散,生成率很小。因此,在湍流边界层内部,湍动能由内向外逐步传递,由小涡传递给大涡,这与自由湍流中的能级串恰好相反,称之为能量的反向传递。

内心情愫的变幻只可意会不可言传,上心电图!咱们就用实验直接面对边界层,看看它的内心到底掀起了什么波澜。

墨尔本大学的学者们曾做过一个精巧的实验,将一个5m长的平板置入水槽中并以一定的速度移动,同时从一个固定的窗口观察平板边界层的细节。

实验中在平板的头部附近,添加了一个直径为1mm的线条,强制边界层转捩为湍流,并该位置释放荧光物质,然后用激光照亮并用高速相机拍摄,便能清晰的看到湍流边界层内的风起云涌。

在下图中,我们大致可以用红色的虚线来界定湍流边界层的内层和外层。平板运动带来的机械能首先注入边界层的底部,在内层由于粘性作用有一定的消耗。但正如我们曾经躁动的青春,大部分能量都无处安放,只能通过湍流脉动的上下窜动,传递给外层(如黄色线头所示),并形成大涡,然后再破碎耗散掉。

在此过程中还观察到另一个有趣的现象,就是在边界层的外层,外侧主流区的流动不断被大涡裹挟(如蓝色箭头所示),形成高湍动能流体和低湍动能流体的掺混。其实这种掺混在整个边界层内部不断发生,形成了能量的传递,只是内层不容易观察到。

当然,善于折腾的学者们还研究了两种不同速度下湍流边界层的差异。从下图可见,当平板运动的速度(或雷诺数)提高时,湍流边界层内部流动结构的颗粒度更小,同样壁面附近的速度梯度和剪切作用更强。因而对于高雷诺数的流动,CFD分析时必须在边界层内布置更多的网格,才能获得更准确的结果,这也是LES和DNS方法求解高雷诺流动时计算量剧增的原因。

单单观察完全发展的湍流当然无法满足学者们的好奇心。那么在发展为湍流之前,边界层又经历了什么呢?

约翰·霍普金斯大学(没错,就是那个每天发布疫情数据的大学)的研究者们使用直接数值模拟的方法,对平板边界层流动进行了计算。下图给出了用速度着色的lambda2等值面(代表涡核位置),黄色线框内的区域即为边界层失稳和转捩的区域。

以下为转捩区域的放大图,更为详细的展示了边界层失稳的过程。可见涡流首先在壁面附近的某些区域生成并逐渐线性增多,然后受到外侧流动的裹挟逐渐远离壁面,达到一定程度后产生失稳破碎,从而产生湍流。

转捩的过程虽然看起来很容易理解,但影响边界层失稳的因素众多,难以预测以及模型化,甚至对于过渡状态的分级界定,许多学者都有自己的观点。大家还记得我们在之前的文章中,曾提到过雷诺圆管染色实验中的临界雷诺数,伴随着来流条件的差异,可能从2300到107都是可能的。

理论和实践都告诉我们,边界层很复杂,那么我们在工程应用中到底如何求解才能真正的拥有边界层呢?

既然湍流边界层内部也是湍流,那么问个略显尴尬的问题:“对于常规的RANS工具,可否使用湍流模型求解边界层?”

想法很有意思,只是对于大家熟知的许多RANS模型比如k-epsilon模型,都是针对充分发展的湍流才是有效的,只能用于求解湍流核心区域的流动,即较高雷诺数下的流动。而对于边界层,由于壁面的阻碍作用,沿壁面法向的流态变化很大,因此湍流边界层是无法用高雷诺数的RANS模型直接求解。

使用DNS当然能够直接求解边界层,只是计算量往往是个天文数字。有例为证:瑞典KTH皇家理工学院在2015年针对NACA4412这个翼型,在高雷诺数(4*105)的条件下进行了直接数值模拟,花费了3.5*107CPU小时,并储存了75TB的数据。

在小编裸眼可见的有生之年,还难以指望用DNS求解大型实际问题。因此工程上常用如下两种方法求解边界层:

在近壁区修改湍流模型,使用低雷诺数的湍流模型求解边界层内层。比如叶轮机械领域常用的SST模型,它结合了自由流中的 k-epsilon 和靠近壁面处的 k-omega 模型,要求网格划分到粘性底层,此时的Y+应小于5。

使用半经验公式对壁面进行模型化处理,即壁面函数法,将近壁区的物理量和湍流核心区的物理量直接联系起来。壁面的网格只需画在壁面函数起效的区域,也就是对数层,其Y+约为30~500这个量级。

边界层转捩的预测的确非常困难,目前还没有较为普适的转捩模型出现。虽然许多商业软件都提供了转捩模型以供选择,但大多基于简单粗暴的判据而无法准确的预测变幻莫测的转捩。所幸的是,大部分工程问题都可以忽略转捩的影响,因此,我们在做CFD计算的时候,通常不激活软件中的转捩模型,而使用默认的全湍流。

而对于一些不能忽略转捩位置影响的工程问题,比如下图中计算翼型产生的噪声,则可人为的设置强制转捩的措施,比如添加一个细小的几何特征或者在局部设置非定常的体积力等。

面对复杂而又变化莫测的边界层流动,大概还没有人能真正拥有边界层。或许我们只是为下一代的流体力学工作者保管边界层,静静的等待更聪明的后浪们揭示它更多的秘密。

26, 6月 2022
100年后数学家终于推导出了它的公式

。这项研究综合了这一领域几十年来的研究成果,将经验观测与描述了流体动力学数学基础的整合进一个数学公式中。论文已于2021年10月21日发表在《物理评论研究》上。

1920年左右,物理学家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)和路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl)首次描述了湍流这一现象。他们研究的是所谓的边界层湍流,就是流体与边界(比如流体表面、管壁、地球表面等)相互作用时产生的湍流。

普朗特通过实验发现,可以根据靠近边界的程度将边界层划分为四个不同的区域。

黏性层会在边界旁形成,湍流在此处会受到流体厚度的阻尼。接下来是一个过渡的缓冲区,随后是惯性区,湍流在惯性区会得到最充分的发展。最后是尾流,根据冯·卡门的公式,边界层流体的流动在这里受到边界影响最小。

图1流体在边界层不同部分的平均速度曲线(白)和方差(蓝) 图源:Birnir et al.

流体在离边界越远的地方流动得越快,但其速度变化的方式非常特殊。流体的平均速度会在黏性层和缓冲区中增加,然后在惯性区中转变为一种以对数函数变化的模式。让科学家最无法理解的便是这个 “对数定律”,他们一直尝试解开这种模式的来源,以及如何用数学精确描述它。

除了速度之外,水流的方差,也就是偏离平均速度的水平,也在边界层的不同区域表现出了特殊行为模式。这两个变量的解释和推导一直是研究的焦点。

20世纪70年代,澳大利亚机械工程师阿尔伯特·艾伦·汤森(Albert Alan Townsend)提出,平均速度曲线的形状受到附着在边界上的涡流的影响。这确实可以解释曲线在不同层中出现的奇怪形状,以及对数定律背后的物理学。

时间快进到2010年,伊利诺伊大学的数学家发布了对于这些附着涡流的一个正式描述。这项研究还阐述了这些涡流如何将能量从边界转移到流体的其余部分。

研究呈现了涡流的一个完整的层次。较小的涡流为一直延伸到惯性区的那些较大涡流提供了能量,这也能帮助解释对数定律。

但在流体中,还存在着一些分离的涡流,它们可以在流体中移动。这些分离涡流在边界层的湍流中也起着重要作用。

在这项新研究中,科学家主要发现了推导出这些分离涡流的正式描述。他们惊讶地发现,分离涡流其实格外重要,特别是在解释缓冲区中的湍流转变时。想要得到平均速度曲线的精确形状,就必须在理论中囊括这些分离涡流。

随后,团队将所有这些见解结合在一起,推导出了平均速度和方差的数学公式,也就是对100多年前首次描述的边界层湍流现象的数学阐述。

他们还将公式与计算机模拟和实验数据进行了比较,从而验证了他们的结果。换句话说,我们终于有了一个完整的分析模型来解释这个系统。

有了这个新的数学公式,科学家和工程师可以调整不同的参数来预测流体的行为。

边界层湍流出现在从交通运输到气象等各个领域。例如,对边界湍流的正确理解有助于提高发动机的效率,减少污染物,并最大限度地减少各种车辆的阻力。

地球大气也可以被模拟为边界流。尽管高度很高,但大气层本质上是一层薄薄的运动空气,紧贴着地球表面。科学家或许也能利用这一理论来理解大气湍流和急流。

此外,研究分离涡流的行为可以为其他类型湍流的理解提供方向。参与研究的Bjrn Birnir教授介绍,这特别可以帮助我们深入了解拉格朗日湍流。这一理论可以简单理解成在一个随水流移动的参考系中描述湍流行为。相反,欧拉湍流理论则描述了流体在经过固定参考系时的运动。两者的差别就像一个是随水漂流的木筏,另一个则是固定在水中的桥墩。

附着涡流在移动的参考系中会 “消失”,就像在你顺流而下时,水流看起来好像 “消失” 了一样。

26, 6月 2022
这个困扰流体力学100年的公式被找出作者之一为北航教授

困扰了流体力学领域一个接近100年的公式,终于被科学家们完整地找出来了。

湍流问题非常复杂,是物理力学中最难的几个问题之一,量子力学创始人之一海森堡就曾经说过:

我要带着两个问题去见上帝:相对论和湍流。我相信上帝只对第一个问题有了答案。

湍流中的一个研究方向,是探索它在边界层的运动。像水流急速冲刷玻璃板表面时,和玻璃板表面相互作用形成的湍流,就叫边界层湍流。

1920年,科学家们发现了边界层湍流这一现象,但却一直没能求出精确描述它的公式。

终于,在100年之后,来自UC圣芭芭拉分校、奥斯陆大学和北航的几名科学家们,解决了一个关键问题后,最终完整地推导出了边界层湍流的描述公式。

湍流是我们日常生活中一个非常常见的现象,像香烟放出的烟雾、空气的流动、河水的急流都属于这类现象。

这种现象非常复杂,目前仅靠数学方法解非线性方程(描述控制湍流运动的Navier-Stokes方程)的方法,还没有取得太大的进展。

然而,人们在造飞机、研究轮船汽车时又极其需要减小湍流带来的摩擦阻力,因此他们从工程应用上开始对湍流分门别类,具体问题进行具体研究。

湍流分为好几种类型,包括各向同性湍流和剪切湍流。具体到剪切湍流中,又包括自由剪切湍流(射流、混合层、远场尾流)和壁湍流(槽道、圆管、边界层)。

其中,边界层湍流是壁湍流(wall turbulence)的一种,描述的是流体在靠近壁面时,与壁面相互作用产生的湍流。

例如,匀速运动的流体在经过一面墙壁后,会先形成一层稳定的层流边界层(图中蓝色部分),再形成湍流边界层(图中红色部分)。

早在1920年,科学家们就已经发现了边界层湍流的四个区域,并且已经给出了一个速度变化曲线。

从图中可见,流体的平均速度变化会在惯性层中转变为一种对数函数变化的形式。

一方面,尽管测量得到了流体在不同区域速度变化的情况,科学家们仍然感到非常困惑:这个对数函数到底该怎么解释呢?

尤其是其中惯性层速度变化呈现出的对数函数规律,更是让科学家们百思不得其解。他们不仅无法理解这个对数函数是怎么出现的,更无法用精确的公式去描述这一现象。

另一方面,平均速度变化的方差,也在不同区域之间出现了不一样的情况(下图蓝色为方差变化情况)。

这些年来,科学家们一直在致力于从这两个问题中找到求解边界层湍流的突破口。

由于涡流可以用有规律的数学模型来描述,而湍流又属于涡流,因此科学家们想到了研究边界层上各种涡流的现象与规律,来对湍流进行研究。

1970年左右,澳洲科学家Albert Alan Townsend表示,边界层湍流的这个平均速度曲线,应该受附着在边界上涡流的影响。

2010年,伊利诺伊大学香槟分校的数学家们,进一步地对于附着在边界上的这些涡流进行了描述,并解释了这些涡流如何将能量从边界转移到流体中。

一系列研究下来,科学家们发现,较小的涡流能给延伸到惯性层的大涡流提供能量,从而解释了对数函数的出现。

时间快进到2020年,来自UC圣塔芭芭拉分校、奥斯陆大学和北航的几名教授与研究生们,在一项研究中推导出了这类分离涡流的公式。

他们在研究中发现,分离涡流公式的得出,对于整个边界层湍流公式的推导非常有帮助,就像是填上了边界层湍流公式描述中的一块重要拼图。

团队将过去的研究与这次发现结合在一起,推导出了边界层湍流平均速度曲线的描述公式(还有方差的数学公式)。

这也意味着复杂的边界层湍流现象,终于有一系列明确的数学公式来对它进行描述了。

其中U和w分别表示平均速度和方差,下面两个导数公式需要根据条件来求积分(方差再进行平方),来计算出最终结果,公式中的相应参数都已经被科学家们推算出来。

研究人员们用实验数据(从墨尔本大学风洞实验室获得)与理论公式推导的结果进行了对比,结果非常接近。

这项突破,对于不少工业项目的研究非常有帮助,例如超音速民航机和空天飞机的研制,就需要对超音速边界层的湍流有更深入的了解,又例如,可以用于精确计算边界层湍流,来最大程度上降低摩擦阻力等等。

Bjrn Birnir,加州大学圣塔芭芭拉分校数学系教授,研究方向是随机非线性偏微分方程与湍流、偏微分方程的动力系统理论等。

Luiza Angheluta,奥斯陆大学助理教授,研究方向是流体力学、统计物理和复杂系统等。

John Kaminsky,加州大学圣塔芭芭拉分校研究生,研究方向是流体力学中的湍流和随机偏微分方程。

陈曦,北京航空航天大学流体所教授、博导,2006年毕业于北大力学系,此后硕博连读,并于2012年获得北京大学流体力学博士。

这几年,陈曦也和Bjrn Birnir教授在边界层湍流上有过合作研究论文,这次应当是在边界层湍流领域上的一大突破。

值得一提的是,北大数学系“韦神”韦东奕,主要研究方向也是流体力学,曾经研究过控制湍流运动的“Navier-Stokes方程”。

26, 6月 2022
“陆地边界层大气污染垂直探测技术”在河北望都启动

由中国科学院大气物理研究所主持的国家重点研发计划项目“陆地边界层大气污染垂直探测技术”日前在河北省望都县启动了大型大边界层污染加强观测试验。项目是基于塔基、地基遥感、艇基和飞机等一体化的综合观测试验。在望都县加强观测的同时,项目还在津冀地区开展了包括北京325米高塔和天津255米高塔梯度观测、激光雷达走航观测、飞机观测和地面台站观测在内的同步协同观测。

“陆地边界层大气污染垂直探测技术”项目旨在解决基于塔基、地基遥感、艇基和飞机等一体化探测平台的边界层三维垂直结构探测技术。据悉,这次试验将为不同大气污染探测设备的对比校验、数据质量控制、数据融合和归一化、标准化研究,以及大气污染模式发展提供帮助,为我国大气污染垂直探测技术和科学研究发展作出贡献。陈卫红/人民图片

25, 6月 2022
流体阻力的组成与物理机制:流线型真的是最好的吗

当流体流过一个物体或物体穿过静止的流体时,流体会对该物体施加一个力。我们可以将该力分解成两个部分:一个与流体运动方向平行的阻力,另一个垂直于流体运动方向的升力。一般来说,阻力是不受欢迎的,它们会对设备的燃油消耗和性能产生很大的影响。因此,工程师们竭尽全力将其最小化。

阻力是作用在物体表面的两种不同类型的应力引起的。首先是壁面剪应力,这些应力与物体表面相切,是由流体粘性产生的摩擦力引起的。其次是压力应力,它们垂直于物体表面,是由物体周围的压力分布引起的。阻力是流动方向上两个应力的结果,因此如果我们确切地知道应力是如何分布在物体表面上的,我们就可以对其进行积分以获得总阻力。

由剪应力引起的阻力分量称为摩擦阻力,由压力应力引起的阻力分量称为压差阻力或形状阻力。对于像球体这样的钝体,压差阻力最为显著,它本质上是由球体前后的压力差形成的。当发生流动分离时,即流体边界层与主体分离形成再循环流尾迹,在物体后面产生低压分离区,压差阻力就会显著增大。流动分离还会导致涡流脱落,从而产生不必要的振动。

为了理解为什么会发生流动分离,让我们看看球体表面的流动情况。当流体通过球体表面时,它最初是加速的,因此压力沿着流动的方向递减,这称为顺压梯度。但是当超过某个点时,流动就开始减速,所以流动方向上压力又开始增加,这种压力的增加称为逆压梯度,它对靠近壁面的流动有显著的影响。如果压力增加足够大,那么流体将会反向流动。由于主体部分无法反向,它会从边界层开始分离,造成流动分离。

对于层流中的光滑球体,流动分离发生在80度左右的地方。如果边界层是湍流而不是层流,则它能够更好地附着在表面上,并且流动分离能被延迟到120度的地方,从而显著降低了压差阻力。这是因为湍流在不同的流动层之间混合,这种动量传递意味着流体可以维持较大的逆压梯度而不分离。

这就是高尔夫球有凹坑的原因,凹坑会产生湍流,从而延缓流动分离,减少阻力并使球飞得更远。这种使用湍流来延缓流动分离并减小压差阻力的想法,也是一些飞机机翼安装小型涡流发生器的原因。在流体中移动的物体,如普通机翼或潜艇,通常被设计成泪滴状的流线型,以最大限度地减少流动分离的影响。对于一个非常流线型的翼型来说,在一个比较小的攻角之下,压差阻力是比较小的,因为流动分离明显延迟或根本不发生。

对于像这样的物体,壁面剪应力对总阻力的贡献最大,由这些应力引起的阻力分量称为摩擦阻力。摩擦阻力随流体的黏度增加而增加,并且对于具有与流动方向一致的大表面积的物体最为显著。

我们之前看到湍流延迟了流动分离,从而降低了压差阻力,但对于摩擦阻力,却有相反的效果。层流边界层和湍流边界层有非常不同的速度分布,壁面上的速度梯度在湍流边界层中比在层流边界层中更陡,因此湍流会产生更大的剪应力。因此,为了减少摩擦阻力,我们需要推迟向湍流过渡的时间,并在物体周围尽可能大的距离内保持层流。

工程师们经常从大自然中寻找灵感,鲨鱼因其独特的皮肤微观结构而受到特别关注。鲨鱼皮肤包含与流动方向对齐的微观脊,这些脊改变了近壁面湍流边界层,具有减小摩擦阻力的作用。研究表明,用类似微结构的人造鲨鱼皮对商用客机进行涂覆,可以将其总阻力降低2%,从而为航空业节省大量燃料。

我们已经看到,压差阻力和摩擦阻力的大小取决于物体相对流动方向的几何形状,摩擦阻力会随着压差阻力的减少而增加。所以当流线型化一个物体时,为了减少总阻力,需要在这两个方面小心平衡,总阻力最小的形状不一定是最流线型的形状。

前面提到,我们可以压力应力和剪应力积分来得到总阻力。但问题是在绝大多数情况下,要知道这些应力的详细分布是不可能的,所以我们通常用阻力方程来表示总阻力。CD项是流体的阻力系数,我们可以通过风洞实验或运行数值模拟来确定阻力系数的曲线。

我们知道压力应力和剪应力是阻力的两个基本原因。在某些情况下,阻力的具体组成部分是根据它们的产生方式来命名的,即使它们只是不同形式的压差阻力或摩擦阻力。例如,在航空领域,三个重要的阻力是诱导阻力、波阻力和干扰阻力。

25, 6月 2022
欧洲持续推进边界层抽吸布局研发

包豪斯研究院的“推进式机身概念”,位于后机身内的风扇通过环状进气道吸入附面层气流,并对尾迹重新注入能量

PFC概念是在欧盟Dispursal项目下开发的,采用尾部涡轮发动机驱动机身风扇的BLI布局

客机在尾部安装嵌入式风扇为机身尾迹注入能量、降低阻力的技术(BLI技术)正引起越来越多的研发关注,该技术具有成为下一代商用飞机减阻关键技术的潜力。然而,关于将这项技术应用于大型电推进飞机是否具有前途仍然存在争议。

NASA相关研究展示出的BLI技术优势坚定了业界持续关注该技术的信心。NASA单通道带后置附面层推进的涡轮电推进飞机(STARC-ABL)的研究显示,相比如今的传统布局客机,该机能够节油7%~12%。节油优势的获得得益于尾部电驱动风扇对机身低速附面层的抽吸和加速。在STARC-ABL中,尾部风扇由翼下安装的发动机带动的发电机驱动,由于全机阻力的减小,翼下发动机的尺寸相比传统翼吊布局更小。

除STARC-ABL外,极光飞行科学公司的D8布局、法国Oneral的Nova布局、德国包豪斯研究院的PFC布局也采用了BLI技术。在D8布局的双垂尾中间,两台紧密安装的半埋式发动机可对机身尾部的边界层进行抽吸。法国宇航院 (Oneral)的Nova概念布局同D8相似,但它是在单垂尾两侧嵌入式安装了两台发动机。德国包豪斯研究院的推进式机身(PFC)概念同STARC-ABL相似,也是在垂尾根部安装了环形机身风扇对边界层进行抽吸;但与NASA采用涡轮电推进方式即由翼下涡轮发动机发电驱动尾部风扇不同,PFC则是在尾部使用了第三台燃气涡轮发动机驱动BLI风扇。

包豪斯研究院(空客是股东之一)在欧盟Dispursal项目下开发了PFC布局,该项目已经于2015年1月结束。研究结果显示,PFC布局相比同级别的2035年服役的传统单通道客机可节油9%~14%。从Dispursal项目结束以来,包豪斯研究院一直在优化PFC布局,并与传统340座级、4800海里的宽体客机进行了更多详细地对比分析。在PFC布局中,后机身尾部内安装了一台双转子涡轴发动机,低压轴通过行星减速齿轮系统驱动机身风扇。空气通过机身尾部高度为0.54米的环形入口进入风扇(机身边界层在当地的厚度约为1米)。在风扇后通过S形管道为核心机供气。

包豪斯研究院在1月举行的AIAA2018航空科技大会上公布了最新的研究成果:相比2035年服役的采用先进技术的传统布局方案,PFC概念可以节油12.1%。PFC布局飞机由于增加推进风扇带来了16%动力系统的增重,导致全机空机重量增加4.6%,但全机最大起飞重量基本没变。

在基线研究中,为了最小化成本,包豪斯研究院假设后机身涡轮发动机和翼下发动机采用同样的核心机。如果撤销这一限制并分别对机身和机翼推进系统进行优化,可进一步获得1.3%的轮挡间油耗降低(当然这种收益可能会被更高的发动机使用维护成本抵消)。包豪斯的研究结果显示,基线研究中,传统布局飞机需要单台发动机提供12880磅的最大爬升推力,PFC布局只需要翼下单台发动机提供8450磅推力,后机身风扇提供静推力3690磅。撤销核心机限制后,后机身风扇只需提供2610磅推力,翼下发动机需提供8880磅。

包豪斯研究院表示,未来的研究工作将关注对PFC布局发动机循环的优化。包豪斯正在牵头一项Dispursal的后继项目,由欧盟地平线年研究周期的Centreline项目。该项目已于2017年6月启动,将开展缩比模型风洞试验、高保真数值模拟和PFC设计优化,旨在实现相比2035年服役的先进技术传统布局飞机11%的油耗降低和二氧化碳排放减少。

与Dispursal项目不同,Centreline项目中的PFC概念将采用同NASA STARC-ABL中类似的涡轮电驱动后机身风扇,即后机身不再安装第三台涡轮发动机。Centreline项目将对PFC进行概念验证和初步的试验验证,将其技术成熟度由目前的1~2级提升到3~4级,最终的目标是达到成熟度6级为2030年实现产品投放市场做好准备。包豪斯牵头的Centreline项目成员还包括,空客防务与空间公司、MTU航空发动机公司、电驱动专业制造商西门子、法国研发咨询公司Arttic,以及来自荷兰、波兰、瑞典和英国的大学。

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25, 6月 2022
院士大讲坛:电流体动力学的奥秘

(记者 梁硕芳)近日,来自俄罗斯工程院的外藉院士Touchard教授,在深圳市人才公园求贤阁以“工程静电和流体流动带电原理及应用”为主题作了一场生动演讲,深圳百余位相关行业的专家学者前来聆听。东南大学吴宗汉教授主持了这场院士大讲坛,深圳市科学技术协会党组成员、副巡视员孙楠参加会议。

这次讲坛由深圳市科学技术协会、华润置地有限公司主办,深圳市科技传播促进会承办,麦格雷博(深圳)有限公司协办。

Touchard院士是电流体动力学领域的知名专家,于1977年创建“电流体动力学”研究小组,对流体边界层控制优化技术等领域有深入的研究成果。电流体动力学具有广泛的实用性以及巨大经济效益,在许多领域都拥有广阔的应用前景,发展迅速。

Touchard院士在演讲中主要介绍了他在电场现象和流体力学耦合的领域的研究成果,即通常区分的两种不同类型的现象:

第一类对应于由流动引起的电现象。在这一类中发现:液体流带电,气流带电的气力输送机和静电危害。液体的流动带电是由于在液体/固体界面出现的一部分双电层的流动引起的对流。即使在界面处产生电荷的过程不同,电荷对流现象仍然非常相似。当运输的产品被存储在一个大容器中时,会存在静电隐患。如果电荷产生更高,电荷耗散,电势增长,并且在一定条件下,可能发生放电。这是很多行业需要解决的技术难题。

第二类对应于由电现象引起的流动,目前越来越多的前沿科技都与之相关。在TOUCHARD教授领导的小组中,一直在研究地质现象中的电现象和流体运动之间的相互作用。包括离子的电扩散和电对流,这项工作与核废料储存有关,可以通过电气技术对土壤进行净化。在电气化喷气发动机领域,这是发动机燃料喷射所要涉及的核心技术。气动应用研究表明,在流动中的物体上的等离子体放电对流动本身产生复杂影响。这在航空领域中的应用非常重要,特别是在飞机机翼上控制层流/湍流过渡方面。

Touchard(中文译名:杜夏)教授,法国Poitiers大学的资深教授,俄罗斯工程院外籍院士,法国大学国家委员会电气工程组的成员,法国静电学会现任主席。2000年获得-法国最高等级教授。在PoTiEs中建立电流体动力学组,直到2007年10月仍然是该组的负责人。

25, 6月 2022
我国已获取台风边界层结构大量观测资料(组图)

中国气象报记者冯君通讯员李青青报道截至目前,我国气象专家已获取台风边界层结构的大量实际观测资料,对台风登陆过程的异常变化机理研究、多源观测资料综合分析及数值预报方法研究取得初步成果。这是2月3日记者在北京召开的国家973计划“台风登陆前后异常变化及机理研究”项目2009年度学术年会上了解到的。

该项目于2009年1月启动,旨在通过登陆台风外场科学试验、资料融合、数值试验和理论分析等来加深对台风登陆前后异常变化机理的认识,研制出真正具有原始创新性和国际影响力的科研成果,提高台风预报能力,为各级政府对防范登陆台风袭击提供科学决策,降低台风自然灾害带来的损失,为国家经济、社会持续发展和国家安全保障作重要贡献,积极推动我国气象事业的现代化发展及气象人才队伍的建设。

中国气象局副局长、项目组专家许小峰,国家科技部基础研究管理中心处长张峰,项目领域咨询专家王明星研究员,项目专家组组长、中国工程院院士陈联寿等出席年会开幕式并先后发表讲话。

许小峰说,各级政府部门对提高灾害天气监测能力和预报水平高度重视,希望各承担单位发挥各自优势,加强交流合作,群策群力,共同推进项目发展;进一步加强组织管理,凝聚学术力量,促进各课题高效有序开展工作;推动项目最新研究成果向业务的转化应用,为台风灾害监测预报服务提供强有力的科技支撑;重视项目的近期目标、远期目标以及整体目标的实现,保障项目的延续性,进而推动台风项目研究不断深入,为台风的监测预报做出更大贡献。

张峰说,该项目对影响我国台风的异常变化机理进行深入研究,着力提高台风预报水平,以满足防灾减灾和社会民生发展需求,责任重大、意义重大。

此次年会为期3天。项目领域咨询专家陈运泰院士、王明星研究员,项目专家陈联寿、许健民、丑纪范、李泽椿等院士,以及各课题负责人、项目学术骨干100余人参加会议。

与会人员将围绕项目研究进展、课题研究重要成果,以及台风登陆过程的外场实验和观测研究、多源观测资料综合分析理论和方法研究、异常变化机理研究、数值预报方法及应用等方面开展探讨与交流。

据悉,我国平均每年遭受9.3个台风袭击,近5年因台风灾害造成的损失年均达440亿元,平均死亡人数达470人。(来源:中国气象报社)

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