任意回转面上,可压缩轴流式叶栅损失的理论计算方法

本文提供了在任意回转面上,用叶栅出气边上边界层特征参势表示的可压缩流动轴流式叶栅形面动能损失系数,形面摩擦系数,包含叶栅下游掺混损失在内的总的动能损失系数以及尾迹掺混损失系数的理论计算方法。本文的第一部分推导了上述各种损失系数的数学表达式。第二部分推导了任意回转面上回转叶栅包含离心力影响在内的可压缩索流边界层的冲量积分方程以及通过Mangler变换所得到的轴对称旋成体表面紊流边界层的冲量积分方程,并发现了两者之间流动的相似性。通过这两类边界层流动相似的比拟方法,找到了它们之间解的变换关系。第三部分详细地叙述了一个平面可压缩紊流边界层解的方法和具体的计算步骤。最后通过manglers以及上述的变换关系可以得到任意回转面上,可压缩回转叶栅紊流边界层特征参数以及上述各种损失系数的计算方法。      

进口受控非定常来流同振荡叶栅相互作用的Euler方程数值解

将 Dcnton 的四角点有限面积格式用于求解变换坐标系下的非定常 Euler 方程组,在振荡叶片附近局部子域构造了一种按等差级数分布的动态网格,从而节省了计算时间,对于本方法的正确性进行了初步检验并与相应的实验进行了对比,在进口总压简谐振荡的束流条件下,计算了零安装角平板叶栅和53°安装角双凸叶栅扭转振荡的非定常流场,结果表明,进口受控扰动同振荡叶栅之间的相互作用在有压力梯度的情况下可以定性地改变叶栅的气动阻尼。     

二维扩压叶栅非定常分离流控制途径探索

二维扩压叶栅非定常黏性数值模拟结果表明,在一定攻角范围内,叶片前缘点附近的周期性吹吸气激励能有效控制混乱的非定常分离流．详细研究了非定常激励频率、幅值、位置对流场的影响．满足一定条件的非定常激励能够使流动由无序变为有序,时均气动性能提高。     

转子、平面叶栅紊流尾迹的数值预示

在文献[2]的基础上,本文提出了一个便于处理转子、平面叶栅紊流尾迹周期性边界条件的新坐标系;在该坐标系下采用连继方程、稳定不可压缩时均动量方程及后κ—ε双方程紊流模型、雷诺应力代数方程模型对转子、平面叶栅紊流尾迹进行了数值分析,数值结果是令人满意的。本文还根据数值预示结果与实验数据的对比分析,讨论了不同紊流模型在紊流尾迹预示中的特点。     

水泵叶片表面三维边界层计算

本文用有限差分法计算混流式可逆水力机械水泵工况叶片表面的三维边界层。水泵叶轮中主流区的三维势流由直接边界元法计算。对于叶片面附近的粘性流动。用三维半正交坐标系中的边界层方程表示。为了提高计算精度采用贴体坐标技术生成边界层区域的计算网格。并利用Cebeci等变换函数及Keller差分格式离散方程。用分块解法求解。计算叶轮叶片表面的压力分布与相应试验结果进行了对比。     

细长机翼摇滚的数值模拟及物理特性分析

耦合三维非定常Navier-Stokes方程与Euler刚体运动方程数值研究80°尖前缘后掠三角翼的机翼摇滚问题. 采用高精度的WNND(weighted non-oscillatory, containing no free parameters and dissipative)格式离散流动控制方程、采用时间二阶精度单边差分离散刚体运动方程数值模拟了马赫数为0.35, 攻角为10°, 22°, 30°下三角翼受扰后的自由滚转运 动. 结果表明：22°攻角附近为所给三角翼出现横向不稳定的摇滚运动的临界攻角；当攻角小于临界值时，受扰后的机翼滚转运动收敛，而当攻角大于临界值时，受扰后的机翼滚转运动发散并形成极限环形式的机翼摇滚.     

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响. 研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.      

AN APPROXIMATE MODEL OF UNSTEADY AERODYNAMICS FOR HYPERSONIC PROBLEMS AT HIGH ALTITUDE

针对高空高马赫数飞行环境和强黏性干扰的物理特性, 在当地流活塞理论的基础上引入有效外形修正, 发展了黏性修正当地流活塞理论, 结合定常N-S方程解给出了高空高马赫数下针对该方法的有效外形的判据, 并通过数值算例对该判据进行了验证.通过对典型尖头薄翼和典型钝头翼的一系列二维非定常算例, 将该方法与一阶活塞理论、基于欧拉(Euler)方程的当地流活塞理论和非定常N-S方程数值解进行了对比. 结果显示在高度为40~70 km、马赫数为10~20范围内, 通过该方法计算得到的非定常气动力与非定常N-S方程数值解吻合较好, 明显优于活塞理论和基于Euler方程的当地流活塞理论.该方法克服了传统的活塞理论和当地流活塞理论不能用于高空高马赫数这类强黏性效应情况的弊端, 在较宽的马赫数、攻角、飞行高度范围内都有良好的适用性, 同时其计算效率远高于非定常N-S方程.     

张量方程在三维粘性绕流计算中的应用

本文采用张量形式的粘性激波层方程,用空间推进的数值方法计算了球锥、椭球锥有攻角高超音速绕流问题,并计算了组合椭球锥的粘性绕流,从而说明了本文的方法可推广应用于一般外型飞行器的小攻角绕流计算问题。文中考虑了在高超音速流动条件下空气的非平衡化学反应,认为化学反应的速率是有限的     

圆柱高雷诺数层流非定常运动初期流动

本文用离散涡位流理论与边界层理论相结合的方法,研究高雷诺数、不可压、层流情况下圆柱非定常运动的初期流动(圆柱由静止突然起动而后保持匀速运动),给出了柱后旋涡发展的详细过程;流场分布、边界层分离点及阻力等随时间的变化规律。本文耦合计算结果包含了流动过程中边界层、外流与近尾迹三者的相互作用。计算所得的旋涡发展与实验显示的图象十分相似,物面压力与速度分布合理,阻力计算与实验结果相符很好。在分离点耦合计算中将stratford方法应用到准定常边界层情况,计算方法简单结果也较满意。对于准定常变化前分离产生的离散涡,其脱落时间和初始位置,本文根据非定常M. R. S. 分离准则确定。文中还讨论了这些离散涡对柱后旋涡发展及流动的影响。     

气固耦合振动叶栅非定常流动分析研究

引入结构动力学方程建立了二维N-S/结构振动耦合方程组,采用双时间法建立了气固耦合方程组的非定常数值求解体系,研究了叶栅间的二维非定常粘性流动及叶栅振动特性。对两种叶型分别计算了不同折合振动频率下的流场,振动叶栅位移随时间变化的曲线表明,采用气固耦合得到的叶栅振动频率与非耦合自振频率相比均有所下降;振动位移-时间曲线在不同振动折合频率下有显著差别。在气固耦合情况下叶栅振动规律及其稳定性与非耦合情形差异较大,因此研究叶栅振动稳定性应当考虑气动/结构的耦合。     

带尾翼水下自然超空泡射弹数值模拟研究

基于Navier-Stokes方程,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型,PISO算法及VOF方法,利用自行开发的程序对绕三维带尾翼水下自然超空泡射弹的非定常空泡流动进行了数值模拟研究.通过计算结果得到超空泡从射弹头部初生至完全包裹弹身的形成过程.在此基础上,计算不同攻角条件下的超空泡形态,并给出射弹表面空泡厚度分布曲线,分析不同攻角对超空泡形态特性的影响规律,以及在零攻角条件下,分析尾翼对空泡形态的影响.另外计算不同空化数条件下的超空泡无量纲长度和厚度,将计算结果与实验数据进行对比,两者吻合较好.研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性问题提供理论基础.     

复杂外形飞行器压力分布CFD数值模拟与试验结果比较

为观察粘性效应对物面压力分布的影响,并验证 CFD 数值模拟方法的计算结果,设计了翼-身-舵组合体模型,利用航天空气动力技术研究院的FD-20炮风洞,在马赫数Ma分别取6、8且攻角α分别取0o、10o、20o的条件下进行了风洞测压试验,同时用Euler方程和N-S方程计算了模型的表面压力并与试验结果进行了比较。结果表明：除少数测点外,弹身、弹翼、舵面及弹身-弹翼干扰区的 Euler方程和 N-S方程计算结果都比较一致,除了攻角α=20°时的弹翼外,计算结果都与试验结果吻合较好。攻角α=20°的极小展弦比三角弹翼,由于侧前缘脱涡等分离现象的存在,实验值普遍高于计算值10%～15%,但变化趋势一致。因此,在采用CFD数值模拟与工程计算相结合的方法进行气动加热或非定常气动力的计算中,采用Euler方程代替N-S方程求解边界层外缘参数和当地流参数是合理的。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

超跨声速扩压叶栅未启动堵塞工况计算

本文研究了超跨声速叶栅未启动堵塞工况的运行攻角.在下游节流和轴向密流比变化时,也能算出有用的结果,并获得相应的其他叶栅性能,如总压损失系数、压比、气流折转角等.同国外已有工作比较,本文方法可以考虑更多的变化条件.计算结果的比较说明本方法是可信的.由于方法比较简单,可用来分析叶栅性能,分析叶栅的几何参数和动力参数变化时叶栅性能的变化.     

振动叶栅非定常气动力的数值分析及应用

利用双时间方法结合运动网格求解Navier-Stokes方程，完成了振动叶栅非定常气动力的数值分析。运用流动显示和频谱分析技术，研究了振动叶栅非定常绕流与气动力的特征。根据能量法原理，对振动叶栅的气动弹性稳定性进行了分析。     

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法(discontinuous Galerkin method, DGM) 因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点, 近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法. 但其计算量和内存需求量巨大, 特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题, 其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的. 基于“混合重构”的DG/FV 格式可以有效降低DGM 的计算量和存储量. 本文将DDG 黏性项离散方法推广应用于DG/FV 混合算法, 得到新的DDG/FV混合格式, 以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率. 通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流, 非定常圆柱绕流和NACA0012 翼型绕流等二维黏性流算例, 优化了DDG 通量公式中的参数选择, 验证了DDG/FV 混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率, 并与广泛使用的BR2-DG 格式的计算结果和效率进行对比研究. 一系列数值实验结果表明, 本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes 方程求解中, 在达到相同的数值精度阶的前提下, 相比BR2-DG格式, 对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2 倍以上, 对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6 倍, 并且在一些算例中, 混合格式具有更优良的计算稳定性. DDG/FV 混合格式提升了计算效率和稳定性, 具有良好的应用前景.      

谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础,将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程,并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法,数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场,并通过积分法获取了俯仰动导数,与实验结果吻合很好;且在同等计算精度下,谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现,对于本外形,当减缩频率降低到一定值后,俯仰动导数的值迅速变化,甚至发生变号;对此现象产生的原因进行了深入分析,并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外,针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点,开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明,谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.      

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法 (discontinuous Galerkin method, DGM)因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点,近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法.但其计算量和内存需求量巨大,特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题,其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的.基于"混合重构"的DG/FV格式可以有效降低DGM的计算量和存储量.本文将DDG黏性项离散方法推广应用于DG/FV混合算法,得到新的DDG/FV混合格式,以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率.通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流,非定常圆柱绕流和NACA0012翼型绕流等二维黏性流算例,优化了DDG通量公式中的参数选择,验证了DDG/FV混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率,并与广泛使用的BR2-DG格式的计算结果和效率进行对比研究.一系列数值实验结果表明,本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes方程求解中,在达到相同的数值精度阶的前提下,相比BR2-DG格式,对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2倍以上,对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6倍,并且在一些算例中,混合格式具有更优良的计算稳定性.DDG/FV混合格式提升了计算效率和稳定性,具有良好的应用前景.     

高超声速再入体表面热流计算

运用非结构网格计算外部无粘流场,并结合边界层内粘性主导区域的工程算法,计算高超声速飞行器的气动加热。通过求解三维Euler方程确定复杂外形飞行器的边界层外缘参数,在理论与经验公式的基础上,利用局部相似性解的方法计算了钝锥和钝双锥外形有攻角再入的表面热流,并与国内外文献的NS方程数值计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好。