压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

一类新型激波捕捉格式的耗散性与稳定性分析

高超声速流动是高复杂性的可压缩黏性流动, 其中存在激波、剪切层、激波/激波干扰、激波/边界层干扰、旋涡与分离流动等复杂流场结构. 对其进行准确模拟需要使用低耗散、强鲁棒性的激波捕捉方法. 本文基于一类新型的通量项分裂方法, 提出了一种耗散低且鲁棒性好的激波捕捉格式K-CUSP-X. 对该格式的耗散性和激波稳定性进行了详细的理论分析, 得到了格式激波稳定的数值条件. 推论认为, 迎风格式激波稳定的充分条件为速度扰动量具有衰减性, 数值实验验证了该推论. 研究表明, 该格式与Toro提出的通量分裂格式K-CUSP-T相比, 在保证精确捕捉接触间断的同时, 又具有更好的稳定性, 在激波处不会产生“红玉”现象.     

高分辨率熵相容格式及其在激波流动中的应用

为解决熵守恒格式在激波附近出现数值振荡的问题,本文将熵相容格式与MUSCL格式相结合,提出一种既能适合于激波问题、又不依赖于传统人工黏性经验模型的高分辨率熵相容格式,通过对多个激波问题的数值计算,并对比二阶中心格式、熵守恒格式、熵相容格式和高分辨率熵相容格式的计算结果,发现:熵相容格式具有较好的激波捕捉能力,有效解决了熵守恒格式在激波附近的数值振荡问题;MUSCL重构格式进一步提高了熵相容格式的数值模拟能力,既能精确捕捉激波附近的流动细节,又在光滑区保持二阶精度;在对比的四种格式中,本文提出的高分辨率熵相容格式对激波问题的预测性能最佳。该项工作对发展激波湍流相互作用模型、提高跨/超音速叶轮机械流动预测精度具有理论价值和应用潜力。     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

高精度非定常激波装配法

为正确模拟高超声速绕流中,来流小扰动与弓形激波之间的干扰对流动特征的影响,将弓形激波作为动边界,利用非定常特征关系处理激波处的边界条件.应用五阶精度迎风紧致格式和六阶精度的对称格式与三阶精度的R-K方法相结合,建立高精度非定常激波装配方法.采用该方法数值模拟钝锥高超声速定常流场和二维抛物外形高超声速边界层流动的感受性问题,数值模拟来流小扰动与弓形激波干扰激波后非定常扰动流场,研究扰动波进入边界层产生边界层不稳定波的特征.     

激波和火焰相互作用的数值模拟

本文应用基元反应模型和NND格式,数值研究了充满可燃预混气的二维管道中,激波和火焰的相互作用过程.计算中氢氧混合物的化学反应考虑了9种组分20个反应式,讨论了激波作用于火焰时,火焰的变化以及缓燃转爆震(DDT)的过程,分析了不同激波马赫数对激波和火焰作用过程的影响.结果表明:激波与火焰作用能触发爆震波的产生,爆震波是由管壁上形成的爆震中心引发.     

跨音压气机中非结构网格自适应的研究

跨音压气机中存在激波/边界层相互干涉、激波/叶尖泄漏涡相互干涉等复杂流动结构,为了实现高精度的数值模拟,精细的捕捉到激波以及叶尖泄漏涡附近的流动结构,从而探究其复杂的流动机理,本文发展了非结构网格自适应技术,其可以自动的加密关注流动特征附近的网格,从而实现对激波、叶尖泄漏涡及激波与其他流动现象相互作用的流动结构的精细捕捉。本文将网格自适应技术应用于RAE-2822翼型二维激波算例以及真实跨音速压气机Rotor-37算例的数值模拟中,计算结果表明网格自适应技术能自动的捕捉到激波、叶尖泄漏涡及其与其他流动现象相互干涉的精细流动结构。     

用STC格式求解二维激波—边界层相互作用问题

将空间—时间守恒(STC)格式应用于求解N-S方程,并对激波—边界层相互作用问题进行了计算。结果表明,该方法可捕获激波与边界层相互作用的各种现象,显示了优良的数值模拟性能。     

用STC格式求解二维激波─边界层相互作用问题

将空间－时间守恒（ＳＴＣ）格式应用于求解Ｎ－Ｓ方程,并对激波－边界层相互作用问题进行了计算．结果表明,该方法可捕获激波与边界层相互作用的各种现象,显示了优良的数值模拟性能。     

激波与火焰作用的实验与理论研究

采用高速摄影技术拍摄了等当量比的甲烷/空气预混气环境下,火焰与激波相互作用的时序照片,对实验结果进行了分析讨论。使用基于带化学反应的N-S方程和热力学数据,利用改进的VLS格式,对等当量比条件下甲烷/空气预混气中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟,并利用光学知识,进行了计算光学的数值模拟。实验结果与数值计算结果进行了比较,两者符合得较好。     

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明:扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点（virtual conical origin,VCO）的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。      

湍流模式对转捩的初步研究

采用二阶时间精度的LU-SGS-τTS目的进行时间推进求解Navier-Stokes方程组,用基于Roe的六阶对称TVD格式离散对流项,并采用Baldwin-Lomax和Spalart-Allmaras模式对平板边界层、Aerospatial A-profile翼型低速大迎角及RAE-2822翼型跨声速激波/边界层干扰流动进行数值分析,自动捕捉流动的转捩过程,获取了有意义的结果.     

激波与SF6球形气泡相互作用的数值研究

本文基于大涡模拟方法, 采用高阶精度格式对平面入射激波以及不同反射距离条件下的反射激波与SF₆重气泡相互作用过程进行了三维数值模拟. 数值结果清晰地显示了SF₆重气泡在激波作用下诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性过程, 揭示了入射激波以及反射激波在气泡界面聚焦诱导射流的过程, 详细分析了不同反射距离条件下反射激波与SF₆重气泡作用过程及流场结构.     

激波与层流/湍流边界层相互作用实验研究

在超声速风洞中,分别对层流和湍流来流条件下的边界层和斜激波(激波强度足以引起流动分离)相互干扰进行了实验研究,利用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了两种条件下流场的精细结构图像;利用粒子图像测速(PIV)技术获得了两种条件下流场的速度场和涡量场;综合运用NPLS结果和PIV结果对比分析了两种流动的瞬时流动结构和时间相关性,实验结果表明:层流边界层内的分离区呈现出狭长的条状,而湍流边界层内分离区呈现出较规则的椭圆;在入射激波上游距入射点较远的位置,层流边界层外围拟序结构会诱导出一系列压缩波系,进而汇聚成空间位置不稳定的诱导激波,而湍流边界层则是在入射激波上游较近的地方直接形成较强且稳定的诱导激波;在入射激波下游,层流边界层内的膨胀区域较小且急促,膨胀后产生的再附激波很弱,而湍流边界层内的膨胀区域较大,膨胀后产生的激波较强。     

一种Spalart-Allmaras模型在激波/湍流边界层干涉中的改进

本文通过分析马赫2.25的斜激波/平板边界层干涉的DNS数据,对其中的湍动能输运特性进行了研究,表明压力梯度使湍动能在分离区增强。在此基础上,本文用当地密度、速度和动力黏性系数对压力梯度进行了无量纲化,将无量纲化的压力梯度引入到Spalart-Allmaras(S-A)模型的生成项和耗散项中,得到了改进的S-A模型。在超音速斜激波/边界层干涉和压缩角流动中的计算表明,改进提高了S-A模型对激波/边界层干涉流动的预测准确度。     

一维激波管问题的SPH模拟

叙述SPH的基本原理,讨论了实现一维激波管问题SPH模拟的过程,并给出算例和说明.     

可燃悬浮寺燃烧诱导激波可其加速过程研究

以铝粉为例，基于双流体模型，分别采用ＴＶＤ格式和ＭａｃＣｏｍａｃｋ格式计算气相和颗粒相流场，基于Ａｒｒｉｈｅｎｉｕｓ定律及管道壁面湍流ｋ－ε模型计算流场反应速度，对水平燃烧管内可燃悬浮粉尘在弱点火条件下激波的产生及加强过程进行了理论分析与数值模拟。研究发现，壁面湍流在火焰加速及燃烧诱导激波过程中起着关键作用，数值计算结果揭示了可燃悬浮粉尘云中压缩波到激波的转捩机制及气固两相流场参数的变化规律。计算     

运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证Level set方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用2阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO求解Level set方程追踪多流体界面,采用GFM方法处理流体内界面.利用文[1]的计算结果校核本文程序.在此基础上,对运动激波和气泡串相互作用过程进行了初步数值模拟,得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图象,包括压力和密度等值线分布.计算结果表明:针对推广后的多界面Level set方程,该方法仍可高质量地捕捉多个流体界面.     

跨音透平中激波与边界层、尾迹干涉机理研究

高负荷跨音透平导叶中,流动过程十分复杂,DDES方法在该条件下对流动细节地捕捉具有特殊优势。本文采用自主开发的DDES程序,获得可靠而精确的计算结果,研究跨音叶片内部的流动机理。根据不同区域的流动现象,作者分别研究叶片吸力面处,激波和边界层的相互作用;叶片尾流区,激波和尾迹的相互作用。并对这些区域进行熵生成情况分析,为后续跨音透平中的损失减小提供理论基础。     

界面追踪方法中的激波限制器研究

针对多介质流体界面追踪(Front Tracking)方法,通过在界面处构造Riemann问题,研究激波限制器应用过程中的若干基本问题.针对气-气和气-水界面问题,通过比较平均守恒误差、L₁误差和激波强度随参数的变化情况,给出激波限制器参数可以在0.3附近选取.同时,通过理论分析和数值算例发现,当有激波接近界面时,选择激波波后状态作为界面处Riemann问题的初始状态,数值模拟结果较满意.