文/侦影探长
编辑/侦影探长
再循环气泡是流体力学研究中的重要现象，涉及到航空航天、能源、水力学和环境工程等领域。深入了解再循环气泡的非稳态空气动力学特性和噪声产生机制对于优化相关系统设计和噪声控制具有重要作用。
提高目前对再循环气泡的非稳态空气动力学特性和噪声产生机制的理解，在接近条件下，这种现象可以出现在最先进的风机级上，出现在转子叶片的前缘附近。质量流量，即迎角对气泡演化及其声学特征的影响，以及入口湍流注入速率对再循环气泡特性的影响。
这是通过执行一些不同的质量流速和湍流注入速率的WRLES来实现的，通过比较另外两个WMLES的WR情况，使用WMLES正确捕获再循环气泡的存在和特性的能力。
网格的设计使得声传播由风扇上游和OGV下游的LES解决，根据风机叶片和叶片附近流量的稳态和非稳态特性以及对再循环气泡的噪声贡献，得出质量流量的影响因素，这是一种动态模式跟踪（DMT）方法来检查再循环气泡在任何感兴趣的频率下的流动行为。
而层流分离气泡是一种在管道、电动机、过滤器和混合器等设备中普遍存在的现象，其与流体流动和传热传质有着密切关系。通过对层流分离气泡的深入了解，明白气泡的形成、演化和影响等因素，以制定相对应策略。
层流分离气泡
对于在其标称状态下运行的风扇级，雷诺数超过100万，并且流量仍然沿着叶片的表面附着。边界层的湍流涡在通过TE时衍射并产生噪声。
在低风扇转速下，例如在接近条件下，即使在中等的逆压梯度下，流量分离区域也可能出现在靠近风扇叶片的LE的地方。如果流动转变为湍流并重新附着，就会形成一个层流再循环气泡。再循环气泡通常通过增加风机级的损失来影响风机的性能。
图1显示了边界层分离和在叶片LE附近形成再循环气泡的基本机制，在分离区域的上游，层流边界层由于高攻角而遇到不利的压力梯度。压力梯度的大小足够高，足以导致流量的分离。分离区域可分为两个区域（图1中的剪切层分隔两个区域）。
图1.翼型吸面层流分离气泡形成
在叶片表面附近，产生循环流，形成反向流涡。边界层在远离壁的地方，由于不稳定层流层发生扰动放大，向湍流过渡。这两个区域之间的湍流混合增强了壁界剪切层内外部分之间的动量交换，从而导致流动再附着。
所描述的分离、过渡和再附着的机制导致在接近条件下的风扇叶片的LE附近形成一个再循环气泡。再附着后，会形成湍流边界层。随着雷诺数的减少，移动叶片吸入侧的过渡点和重新连接点。在足够大的攻角和低雷诺数下，分离的剪切层不能重新附着，从而使翼型停滞。
这一现象及其对自噪声的贡献已经在单个翼型结构上得到了广泛的实验研究，分别以雷诺数和Re=5×104和M=0.4的马赫数对NACA0012翼型周围的气流进行了直接数值模拟（DNS）。观察到在低雷诺数和非零攻角下，在翼型的吸引侧可以发现一个层流分离气泡。这个分离气泡之后是向湍流的过渡和边界层的重新附着。
来自DNS的声学结果表明，在吸力侧存在一个不位于TE处的额外噪声源，并且可以显著地改变噪声的方向性，并观察到这种额外的噪声源在高频中占主导地位。
在DNS研究方面，α=8◦、Re=1.5×104和M=0.25时控制扩散（CD）翼型周围的流动。在LE的下游，由于开尔文-亥姆霍兹不稳定性，气流呈层流状流动，并产生了展向相干结构。
这与一个短的再循环气泡有关，它触发了边界层的层流到湍流的过渡。在过渡区下游，湍流结构的尺寸随着它们的变化而减小，湍流在TE处得到了完全的发展。在分离区域内，在壁压力谱的振幅中观察到一个驼峰。
在该区域，由于大的相干可展结构，波动压力的时空相关性呈周期性，空间上的相关水平显著。使用大涡模拟（LES）方法，发现在分离区域的轴向位置和该区域的速度波动被观测到明显振荡，从而产生额外的噪声。
在低马赫数和雷诺数和高攻角下使用翼型的实验研究表明，分离区域的速度波动振幅增加。这发生在LE附近，这是由于在分离区域出现了一个再循环气泡。实验结果显示，均方根（RMS）流向速度波动的壁面法向剖面存在三峰模式，以及垂直于翼型表面的均方根速度波动显著增加。
此外，在气泡区域的速度波动的功率谱密度（PSD）中显示了一个主要的宽带峰，这与开尔文-亥姆霍兹不稳定性有关。
在NACA00012机翼上进行另一项实验，在0.65×105
根据上述观察，在进近条件下，风扇LE处的攻角较高，这是与巡航条件下的一个主要区别。这与进近条件下自由流马赫数和风扇转速降低有关，这可能导致局部流动分离，并在LE附近出现再循环气泡。
再循环气泡在风扇叶片表面的边界层过渡到湍流中起着重要作用，并产生额外的噪声源，这可能与气泡区域的高度不稳定流动有关。
应该注意的是，抑制层流分离气泡的经典解决方案包括增加LE附近的粗糙度（例如使用绊带），以便在流动分离之前强制过渡到湍流。然而，在接近条件下，在低地附近使用绊流带来防止分离气泡会增加巡航条件下的气动损失。
虽然再循环气泡的存在已被观察到并被认为是风扇噪声的一个重要的噪声贡献者，但对这种气泡中的流动及其在航空发动机应用中的声学特征的详细分析得到的关注有限。
WM-LES的数值评估
为了评估墙模型（WM）LES假设在预测分离区某些空气动力量时的有效性，比较了参考质量流量˙m=20kg/s和对应标称转速50%的转速（Ω=5500RPM）。比较的三种网格的性能见表2。
“WM-TRIP”网格是由WM网格通过添加一个方形的10%弦长的行程（行程高度约四倍边界层位移厚度的位置，这被认为是足够的足够的过渡的边界层湍流）。
图2.不同WM和WRLES的网格属性。x+、y+和z+分别为流向、法线和跨度方向上的无量纲壁距离。
转子叶片吸入面的湍流结构如图3所示，使用由涡度大小着色的q准则（Qc2/U02=1500，其中U0为自由流速度大小）。选择q准则的等面值来清楚地识别边界层中的湍流结构。对于所有的情况，在LE附近形成一个层流边界层，然后是一个过渡区域，在那里识别出一个再循环气泡。
这个气泡的特征是显著的涡度，并迫使边界层过渡到湍流。在再循环气泡的下游，气流重新连接到翼型上，并保持连接在TE上。与WR情况相比，使用壁面模型似乎延迟了再循环气泡的出现，并导致分离区和下游方向更大的湍流结构，即使增加了跳闸。
图3.对于不同的网格，(a)WR、(b)WM和(c)WM-trip，q准则（Qc2/U02=1500）的等表面，用涡度大小着色
然后通过平均流速度分量u（图4)和湍流动能kt分析转子叶片周围的流动拓扑，并在旋转参考系中平均。这些平均值是计算超过3.5个旋转的风扇。
在叶片吸力侧，在LE附近，可以发现一个负速度区和高湍流动能区。该再循环区域对应于q准则等面识别的气泡，导致边界层向湍流过渡。
通过比较不同情况下获得的流动拓扑结构，我们可以观察到，对于WM情况，与WR情况相比，气泡在河流方向上更长，其位置在吸力侧向下游移动。然而，当使用壁面模型时，观察到的最大湍流动能值较小，这延迟了向湍流的过渡。
图4.对于不同的网格、(a)WR、(b)WM和(c)WM-TRIP，在转子叶片周围的平均流向速度u的轮廓
因此，WM情况下的边界层和尾迹厚度都增加了。当增加一个行程时，WM和WR案例之间的这些差异不那么明显。在这种情况下，叶片吸入侧的气泡的轴向位置由跳闸位置决定。
与叶片静压分布有关的等熵马赫数Mis分布以及沿叶片的压力波动均方根（Prms）如图所示。等熵马赫数Mis的定义为：
其中P0为边界层外自由流的总压力，P为静压，γ为比热的比值（在本例中为γ=1.4）。在吸侧，在LE附近可以观察到Mis平台，这表明再循环泡的存在。
在气泡区下游，湍流边界层受到到TE的不利压力梯度。气泡区域也显示出较大的Prms值，如图5(b).所示
图5.(a)等熵马赫数Mis和(b)RMS压力波动沿转子叶片的弦分布
可以观察到，与WR情况相比，当使用壁律时，气泡向下游移动，其尺寸增大。这与之前对流体拓扑结构的观察结果是一致的。由于再循环气泡而引起的额外自噪声源的强度可能部分与Prms水平有关。
与WR情况相比，Prms的最大值较低，但峰值的宽度较大。通过在WM的情况下增加一个行程，再循环气泡的位置和波动就会变得更接近WR的情况下（LESWR）。但是，平均压力水平是不同的，这表明在增加跳闸时，出口压力需要重新调整。
摩擦系数Cf也可以提供有关再循环气泡的有用信息，图6为转子叶片的吸力侧(a)和压力侧(b)之间的Cf比较。在所有的情况下，在吸入侧的叶片的LE附近观察到一个负摩擦系数的区域，这与气泡的存在有关。
在该区域的下游，Cf沿吸入侧向下至TE保持阳性。Cf达到零的位置可以分别看作是气泡的初始点和终点，这使我们可以定义气泡的大小。对于Mis的分析，当使用壁律时，再附着点向下游移动，导致更大的再循环气泡。
在压力方面，在跳闸位置（WM）的WM情况下，摩擦系数略负，说明在该区域出现了较小的再循环。在其他情况下，Cf的分布非常相似，并保持正分布，这表明流动沿压力侧一直附着。
结论
以“层流分离气泡”现象为条件，使用WM-LES方法进行数值模拟，对其进行了详细的数值评估。层流分离气泡现象是多相流领域中具有重要意义的现象之一，在数值模拟中，成功地模拟了层流分离气泡的形成和演化过程，验证了WM-LES方法的可行性。
通过数值模拟结果的分析，发现层流分离气泡的形成与气泡撞击流体表面引发的涡旋结构密切相关。这些涡旋结构在气泡下表面造成了流动的剪切，并导致气泡上表面的流速增加，最终导致层流分离气泡的形成。
通过对数值模拟结果的对比分析发现，WM-LES方法在模拟层流分离气泡现象时具有较好的准确性和稳定性。与传统的RANS方法相比，WM-LES方法能够更准确地捕捉到气泡下表面的涡旋结构，并更真实地模拟出层流分离的过程。
在数值评估中，还通过与实验数据的对比发现，WM-LES方法能够较好地预测层流分离气泡的形状和演化过程。这进一步验证了WM-LES方法在模拟层流分离气泡现象中的有效性。
通过数值评估WM-LES方法在模拟层流分离气泡现象中的准确性和稳定性，并验证了WM-LES方法在预测层流分离气泡的形状和演化过程中的有效性。这对多相流领域的研究和工程应用具有重要的指导意义。
未来的研究可以进一步优化WM-LES方法，提高其模拟效果，并拓展其在其他多相流现象中的应用。
