喷水推进器推力的CFD计算方法研究

简要介绍获取喷水推进器推力的理论、试验及数值计算(CFD)方法,重点研究采用动量流量法和壁面积分法计算喷水推进器推力的CFD方法。采用多块网格技术,用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的混合网格离散计算区域,采用稳态多参考系方法求解RANS方程,对喷水推进器进水流道、叶轮、导叶体和喷口所组成的整个流场进行数值计算。计算中采用了k-ε湍流模型和标准壁面函数,对用动量流量法计算推力方法中所需的假想流管分界面和进口面的求取做了分析,将两种方法计算的推力与厂商提供的推力特性曲线进行了对比。结果表明,采用CFD计算和分析方法来研究喷水推进系统推力性能是可行、可信的。     

CFD模拟方法的发展成就与展望

本文综述了计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD),尤其是计算空气动力学的发展概况.从计算方法、网格技术、湍流模型、大涡模拟等方面分别总结了CFD所取得的成就,分析了当前存在的问题、困惑,展望了其发展趋势.在CFD计算方法中,主要介绍了中心格式、迎风格式、TVD格式、WENO格式、紧致格式以及间断Galerkin有限元方法,对不同方法的原理和特性进行了系统阐述.网格技术包括结构网格、非结构网格、混合网格以及重叠网格,重点讨论了重叠网格的若干关键技术.在湍流模型中,对目前的模型进行分类介绍,包括线性涡黏性模型、二阶矩模型、非线性模型等,还介绍了转捩模型、DES方法以及SAS方法等.在大涡模拟方法中,就其中若干相关的研究方向进行了探讨,包括滤波方法、亚格子模型、收敛标准、数值格式等. 文中还包含了作者在相关领域的若干研究成果.     

绕翼身组合体高质量网格设计和阻力计算

采用超立方体概念设计了绕翼身组合体外形的高质量连续拼接多块结构化网格,旨在构造一种通用的绕翼身组合体外形的高质量网格生成方法,提高阻力计算精度.以DLR-F4翼身组合体为例生成计算网格,采用雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras 湍流模型进行阻力计算.超立方体网格计算的结果与实验数据吻合较好,优于其他软件和其他网格的计算结果;从而说明本文超立方体网格构建方法可行、生成的网格质量高,能改善阻力精度,该方法适用于绕相似外形的翼身组合体网格生成.     

一种简单快速的多块网格生成方法

利用有限元中的形函数进行网格插值映射分块生成网格,构造了一种块网格拓扑结构,使得块与相邻块之间自动组合,并利用该方法对二维、三维复杂区域进行分块网格生成,说明该方法生成的网格质量较好,适合于复杂区域分块求解。     

基于分区拼接网格技术高升力装置流场数值模拟

针对高升力装置构型模型结构复杂、流场变化剧烈等特点,本文采用分区拼接网格的思想分别按照流场和结构拓扑特点对高升力装置进行了网格分区。在分区的基础上逐块生成网格,减小了增升装置网格的生成难度,提高了网格质量,减少了网格数目。首先,研究了高升力装置的分区策略及流场特点;接着以MD30P-30N多段翼型为研究算例研究了网格比例和插值方法对计算结果的影响。经过分析对比可知:外部区域与近壁区域之间的比例不宜小于1:5;内部域网格比例不宜超过1:1.8,最好保持在1:1左右;计算中应该采用高阶精度插值以保证计算精度。采用某四段翼型进行了验证;最后采用NASA标准高升力装置进行了三维高升力装置流场数值模拟并与相应风洞实验数据及对接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性。同时分析研究了绕三维增升装置的流动及其周围复杂的粘性流动现象。     

一种基于双前沿推进的边界层网格生成算法

高雷诺数粘性流动模拟对边界层内的网格正交性有特殊要求.对于复杂外形,这类问题的网格自动化生成十分困难.面向该问题,提出一种双前沿推进思想,并形成一种面向复杂几何外形的边界层网格全自动生成算法.结合多种网格技术处理局部几何特征以保证边界层网格的质量.双前沿推进思想同时适用于多块结构网格和混合网格的边界层网格生成.多个模型...     

动网格生成技术及非定常计算方法进展综述

对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.     

基于Voronoi cells的二维不规则自适应网格的生成及其应用

基于Voronoi cells的数据结构和算法，给出了一种二维不规则自适应网格的生成方法，用VisualC＋＋语言在微机上开发了Windows环境下网格自动生成的可视化软件。既可以得到Voronoi cells网格，也可得到相应的Delaunay triangles网格，网格生成的实例表明，本文方法所得到的网格非常适合于多尺度系统的流动问题的计算，具有较好的应用前景。     

拼接网格技术在复杂流场数值模拟中的应用研究

采用分区拼接网格技术,对 DLR-F6 机翼/机身胜架/短舱复杂组合体进行拼接网格分布.并采用 Menter SST 湍流模型,通过求解 Navier-Stokes 方程,对该组合体外流场以及发动机短舱内流场进行了一体化数值模拟,与相应风洞实验数据及分区搭接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性.同时通过分析对比不同插值方法的计算结果,研究了插值方法对拼接精度的影响;通过分析对比几组不同的拼接网格算例,总结出了 3 个拼接网格的基本实施准则.证明了拼接网格能够大幅度减小计算网格数目,可以更加灵活地分布网格节点,这样既可以缩短计算时间,又可以降低对内存的需求,提高了计算效率;同时无论整体的力系数,还是局部的压力分布流场细节都能够满足工程精度.     

干扰剪切流动(ISF)和边界层流动及ISF理论在计算流体力学(CFD)中的应用

简述作者提出的干扰剪切流动(ISF)理论、近壁复杂ISF理论、推论和它们在CFD中的应用.ISF是小黏性流体运动中普遍存在的一种基本流动,如驻点流、近壁黏性-无黏干扰流动,干扰可忽略时ISF的黏性部分为熟知的边界层流动.ISF理论揭示了高$Re$数流动计算的最佳坐标系和最佳网格生成.由近壁复杂ISF理论与流体运动方程组及流速在壁面无滑移条件相结合导出一组壁面相容(SC)判据,该判据提供了利用CFD仿真结果判断CFD仿真可信度的理论途径、并为近壁网格、算法和边界处理的改进和三者的更好协调、为湍流模型的评估、改进和发展提供了一种理论途径.      

翼吊式双发民机机体/动力装置一体化数值分析

介绍了多块网格技术与流场分区求解方法在翼吊式双发民机机体／动力装置一体化研究中的应用。数值求解Ｅｕｌｅｒ方程模拟复杂组合体绕流。采用边界层方程／Ｅｕｌｅｒ方程耦合迭代技术进行翼面粘性修正。为保持Ｅｕｌｅｒ注解中计算网格固定,粘流／无粘流耦合迭采用表面源模型。该方法对某民用飞机模型跨音速绕流流场进行了数值模拟,机翼表面计算压力分布与实验吻合良好。     

两级分块结构化网格在SK型静态混合器中的应用

给出一种适用于SK型静态混合器流场数值模拟的两级分块结构化网格划分方案和分块圆弧区点的极坐标方程。与常用的非结构四面体网格划分对比,两种方法划分网格数量相近时,两级分块结构化网格达到的迭代精度高于非结构化网格一个等级,而非结构化网格收敛所用时间约为结构化网格收敛所用时间的1.25倍;运用控制体积容积变化值对两种方法划分网格进行质量评估,结构化网格划分方法接近99%网格质量指标在1.0~2.0范围内,而非结构化网格仅接近60%网格质量指标在1.0~2.0范围内。通过实验测量对两种方法划分网格数值模拟结果进行对比验证,结构化网格计算结果与实验值更为接近,表明其可行性和准确性均优于非结构四面体网格划分。     

机翼-机身-挂架-短舱复杂流场数值模拟

本文采用分区搭接网格技术,对机翼/机身/挂架/短舱复杂组合体进行网格分布,通过分析计算网格对结果的影响,探讨了网格的划分.基于Roe的近似黎曼解的方法,采用S-A湍流模型,通过求解N-S方程,对该组合体外流场/发动机短舱内流场进行一体化数值模拟,与相应风洞实验数据进行了比较与分析,取得了与实验数据较为吻合的结果.与无发动机短舱的组合体的气动特性进行比较,分析了短舱对翼身组合体的气动干扰.     

某型双立尾战斗机的网格生成及流场解

以某型双立尾战斗机为例，给出了实际复杂型号飞行器结构网格生成的一种分块方案及实现过程。用一种矢性三次多项式插值的方法生成相邻块公共交界面的网格，用求解椭圆型方程的方法生成块内空间网格。在所生成的双立尾战斗机分块结构网格中分区求解Ｅｕｌｅｒ方程，获得了合理的全机气动力系数、翼面压力分布和绕流图谱结果     

一种快速稳健的并行多块结构动网格方法

为解决传统网格处理方法不能满足复杂外形在大设计空间内进行优化时对网格质量的要求的问题,提出了一种并行多块动网格方法,该方法基于初始外形的多块结构网格,根据优化过程中个体外形与初始外形拓扑结构相近的特性,利用体样条插值方法来拟合多块结构网格各块顶点的位移,得到几何外形变化后的拓扑结构,再利用无限插值方法并行地移动初始外形多块结构网格的边、面和块内的网格点,进行光顺处理后得到变形后几何外形的空间网格;该方法在保证网格质量的同时,可以极大地提高网格生成效率,本文以某翼身组合体为例结果表明,该方法在大设计空间的复杂外形设计问题中具有很强的实用性。     

应用自动网格法测量带孔洞大样品的变形

为了能在现场检测带孔洞大样品的变形,本文提出了运用环形编码法的改进自动网格法。文中还研究了适用于大样品测量的网格制作技术,编制了网格自动处理及分析软件,进行了计算机模拟和实验标定,并分析了测试精度。     

应用自动网格法测量带孔洞大样品的变形

为了能在现场检测带孔洞大样品的变形，本文提出了运用环形编码法的改进自动网格法。文中还研究了适用于大样品测量的网格制作技术，编制了网格自动处理及分析软件，进行了计算机模拟和实验标定，并分析了测试精度。     

一种新的准结构网格生成方法

在有限元分析中，高质量的结构网格可以有效地提高有限元分析的精度，但结构网格的几何适应性差，针对复杂边界的二维计算模型，现有的方法很难自动生成高质量的结构网格；而非结构网格几何适应性很好，但存在计算效率低和精度差等问题。提出了一种新的准结构网格生成方法，能够实现复杂区域的网格自动生成并且具有高网格质量。该方法首先对计算区域运用Delaunay三角剖分技术生成粗背景网格；然后利用背景网格，使用优化的Voronoi图生成过渡的蜂巢网格；最后，通过中心圆方法对蜂巢网格单元进行结构网格剖分。分析NACA0012翼型数值模拟结果表明，提出的新准结构网格生成方法能够对边界复杂的模型自动生成高质量的网格，并且通过三种不同拓扑类型网格计算结果相互对比及与实验结果对比，证明准结构网格具有高计算精度。     

An adaptive Cartesian grid generation method for ‘Dirty’ geometry

Traditional structured and unstructured grid generation methods need a ‘water‐tight’ boundary surface grid to start. Therefore, these methods are named boundary to interior (B2I) approaches. Although these methods have achieved great success in fluid flow simulations, the grid generation process can still be very time consuming if ‘non‐water‐tight’ geometries are given. Significant user time can be taken to repair or clean a ‘dirty’ geometry with cracks, overlaps or invalid manifolds before grid generation can take place. In this paper, we advocate a different approach in grid generation, namely the interior to boundary (I2B) approach. With an I2B approach, the computational grid is first generated inside the computational domain. Then this grid is intelligently ‘connected’ to the boundary, and the boundary grid is a result of this ‘connection’. A significant advantage of the I2B approach is that ‘dirty’ geometries can be handled without cleaning or repairing, dramatically reducing grid generation time. An I2B adaptive Cartesian grid generation method is developed in this paper to handle ‘dirty’ geometries without geometry repair. Comparing with a B2I approach, the grid generation time with the I2B approach for a complex automotive engine can be reduced by three orders of magnitude. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.