吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.     

双时间步方法的应用分析

对双时间步方法隐式迭代的稳定性、启动问题、子迭代初值和收敛性准则进行分析.一般认为,双时间步的真实时间步长是基于精度,而不是稳定性的基础上给定,因此真实时间步长可以取得很大,但对VonNeumann稳定性分析表明,对于子迭代采用隐式的算法,稳定性的要求对真实时间步有限制.并通过对Sod激波管问题的计算,验证该分析.     

超声速边界层中壁面抽吸对流动分离的抑制作用

当超声速或高超声速来流经过压缩折角时，由于壁面的位移效应，折角附近往往出现较强的逆压梯度，进而很可能导致流动分离，并伴随着激波与边界层干扰问题的出现.在工程应用中，流动分离会带来诸多不利因素.一个抑制流动分离的有效措施是在折角的上游引入定常的壁面抽吸单元.基于大Reynolds数渐近理论框架下的三层结构理论，文章研究了壁面抽吸抑制层流边界层分离的机理.研究发现，只要抽吸元被安置在折角上游O（R-3/8L）范围内，决定抑制效果的关键参数是抽吸的流量，而与抽吸元的位置无关；同时改变抽吸元的宽度和抽吸速度而保持抽吸流量不变并不影响其对分离区的抑制效果.      

一种新的壁面距离计算方法——循环盒子法

很多湍流模型都需要内点到壁面的距离,当网格量特别大时,计算壁面距离不仅计算量很大,而且费时.通过对当前壁面距离计算方法的分析,提出一种新的计算方法——循环盒子方法.循环盒子法计算效率高,通用性和健壮性较好,可以得到和直接法相同的结果.通过对7个二维和三维算例的计算表明,循环盒子法的计算时间比直接法缩小一个量级.而且,对于同一个问题,随着网格的加密,循环盒子法效率更高.     

煤油超燃冲压发动机三维大规模并行数值模拟

在我国巨型计算机上,采用1024个CPU对煤油燃料超燃冲压发动机燃烧流场进行三维大规模并行数值模拟.计算软件采用自主研发的并行软件AHL3D,控制方程采用雷诺平均的N-S方程,无粘项计算采用Steger-Warning矢通量分裂格式,湍流模型采用k-ω双方程模型,煤油分子式采用正癸烷代替.计算给出的发动机壁面压强分布与试验测量结果有较好的一致性.结果表明,凹槽是发动机主要的着火区和火焰稳定区,同时,由于燃料的喷注形成的回流区也起到一定的稳焰作用.计算结果验证了AHL3D程序和采用的理论模型可以用于模拟煤油燃料超燃冲压发动机内部的复杂流动.     

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于``准稳态'方法建立的模型简化软件包SPARCK, 从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型. 简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致, 验证了模型的有效性. 采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法, 对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟, 计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好, 表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程. 在并行计算环境下, 和直接积分方法相比, 该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍, 大大提高了计算效率.