三角翼涡破裂的高精度数值模拟

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟65°后掠角尖前缘三角翼的大攻角跨声速绕流流场,考察低耗散、高分辨率的WCNS-E-5格式对于三角翼涡破裂模拟的适用性,及激波旋涡干扰对涡破裂点位置的影响,重点研究三角翼大攻角旋涡破裂点的突然前移.通过求解任意坐标系下的非定常雷诺平均N-S方程,采用WCNS-E-5和SST两方程湍流模型,与试验结果和文献计算结果对比,表明既有高阶精度又能光滑捕捉激波的WCNS格式在模拟三角翼旋涡破裂方面具有一定优势,其数值结果与试验结果吻合较好,三角翼大攻角旋涡破裂点的突然前移是由于跨声速流场的激波旋涡干扰.     

基于雷诺应力模型的高精度分离涡模拟方法

基于Speziale-Sarkar-Gatski/Launder-Reece-Rodi(SSG/LRR)-ω雷诺应力模型发展了一类分离涡模拟方法,结合高精度加权紧致非线性格式在典型翼型及三角翼算例中进行了验证,并和传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法进行了对比.结果表明:基于SSG/LRR-ω模型的分离涡模拟方法,提高了原雷诺应力模型对非定常分离湍流的模拟能力;同时相比于传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法,尤其是在翼型最大升力迎角和三角翼涡破裂迎角附近,该方法在平均气动力预测的准确度、分离湍流模拟的精细度等方面更加优秀.     

翼型大攻角低速分离流动的数值模拟

应用高收敛率、高精度和高分辨率的数值计算方法,通过求解非定常、可压缩雷诺平均的Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程和ｑ-ω低雷诺数双方程湍流模型,数值预测了Ｓ８０９翼型在０－７０°攻角范围内大尺度分离与失速流场的流动与损失特性。     

针对典型分离流动数值模拟的自适应耗散调节方法

分离流动是一种复杂湍流现象,其中微小尺度结构的发展演化有着重要的影响,但是湍流数值模拟中数值方法的固有耗散会抑制小尺度流动结构的发展.因此,本文结合延迟分离涡模拟方法,基于五阶耗散紧致格式,通过引入流场相关的调节因子,构造自适应耗散调节方法,使其在大涡模拟区域降低耗散影响以提高对小尺度流动结构的辨识能力,在雷诺平均区域恢复正常耗散水平以保持稳定求解.本文首先通过近似色散关系和涡输运算例说明该方法可有效降低数值耗散影响,同时具有更高分辨率的涡保持能力;随后通过各向同性衰减湍流和平板槽道流动展示了该方法可有效提高对微小流动结构的辨识能力,同时在存在大梯度的流场中可保持求解稳定性;最后求解Re=3900亚临界状态下的圆柱绕流,通过对比流场云图、时均速度和雷诺应力分布曲线,说明了该方法通过减小分离区耗散影响,可有效提高对典型分离流动求解的准确性.     

湍流燃烧二阶矩模型的研究进展

湍流燃烧模型在燃烧过程数值模拟中十分重要。商业软件中仍然应用的简单模型,如EBU和预设PDF模型,常常不能很好地模拟有限反应动力学。目前通行的湍流燃烧模型,如层流小火焰模型和条件矩模型,只对一定的火焰类型和火焰结构的效果较好。PDF方程模型更通用,但计算量太大,用于大涡模拟更是如此。另一类是统计矩模型,即基于湍流模型的思路,用雷诺展开和取平均,封闭未知项的二阶矩模型,但是遇到了高度非线性的温度指数函数的困难。不同研究者采取了不同的近似处理,都低估了时平均反应率。作者彻底放弃各种近似方法,构建了终版的二阶矩模型,用于不同的单相和两相燃烧的雷诺平均模拟和大涡模拟,得到了实验验证和直接数值模拟的验证。     

旋流和无旋突扩流动的LES和RANS模拟

本文用smagorinsky-Lilly亚网格尺度湍流模型对旋流突扩流动(s=0.53)和无旋突扩流动(s=0)进行了大涡模拟(LES模拟),同时分别用压力应变项为IPCM和IPCM+Wall模型的雷诺应力方程模型进行了RANS模拟,和LES的统计结果对比。LES的统计结果与雷诺应力模型的模拟结果及实验对照表明,LES结果与实验结果的吻合比雷诺应力模型的好,说明所用的亚网格尺度湍流模型对旋流流动是适用的,LES结果是可信的。LES的瞬态结果揭示出在旋流作用下,流场中存在复杂的旋涡脱落现象。大涡结构极易破碎成小涡,而在无旋突扩流动的情况下,由于剪切的作用更强,大涡结构的尺寸和范围比旋流流动的要大。     

大攻角翼型的锁频现象及气弹稳定性研究

翼型大攻角下涡激振动的锁频问题给飞行安全带来潜在的安全隐患。本文采用非定常雷诺时均N-S方程模拟了翼型在大攻角下的强制扭转振动,对翼型在40°攻角下的锁频振动现象进行研究。基于非定常数值模拟的结果,获得翼型表面振动周期气动功均值判断翼型的气动弹性稳定性。计算结果表明：扭转振动的锁频区间呈“V”形,锁频区间内振动频率较小侧气动功显著增加,涡激振动现象发生,而振幅的增大延迟了上仰过程尾缘涡的脱落,会使得其上表面尾缘附近气动功降低,使振动趋于稳定;相空间重构及递归图可以捕捉到非线性动力学系统锁频及非锁频下的状态差异。     

湍流模型在压气机转子尖区流动模拟中的对比研究

对比研究了六个常用的湍流模型预测压气机转子叶尖复杂旋涡流动的能力,选用的六个湍流模型分别为,混合长度模型,SA模型,标准κ-ε模型,SSTκ-ω模型,v2-f模型和雷诺应力模型.通过与压气机转子尖区典型的大尺度旋涡结构-泄漏涡和角区旋涡的SPIV详细测量结果的对比,分析了六个湍流模型预测转子尖区复杂流动的能力;在结合试验的基础上,根据数值模拟结果对转子尖区流动进行了更为深入的分析.     

高速高负荷压气机叶栅损失特性实验研究

实验测量了某高速高负荷压气机叶栅两个马赫数(0.5884和0.5)下-8°、-6°、-4°、-1.69°、0°、2°、4°和8°共8个攻角的栅后流场,分析了其损失特性随着攻角的变化规律。结果表明:设计马赫数0.5884下,该叶栅低总压损失系数对应的攻角范围较小,随着攻角往两端偏离最优攻角,叶栅损失很快就急剧增加;从2°到4°攻角,流场结构发生了改变,近叶中区域也开始发生了较大的分离,而近端区的角区分离反而减小,使得总压损失未迅速增加,而是基本不变;随着攻角进一步增大到8°,发展成了全叶高的大尺度分离流动,尾迹速度亏损急剧增大,总压损失也急剧增大。     

非结构网格上大涡模拟数值方法研究

随着计算能力的飞速发展,在非结构网格上进行大涡模拟是研究叶轮机械真实几何结构下复杂流动问题的有效途径。本文针对非结构网格上数值格式人工黏性过大的缺点,利用湍流中动能级联特性,发展了适用于大涡模拟的低耗散数值格式,并结合亚格子模型,考察了其在基础湍流算例中的有效性。通过与传统迎风格式的对比,说明本文发展的低耗散格式可以显著提高非结构网格上大涡模拟的精度和可靠性。     

非结构网格上大涡模拟数值方法研究EI北大核心CSCD

随着计算能力的飞速发展,在非结构网格上进行大涡模拟是研究叶轮机械真实几何结构下复杂流动问题的有效途径。本文针对非结构网格上数值格式人工黏性过大的缺点,利用湍流中动能级联特性,发展了适用于大涡模拟的低耗散数值格式,并结合亚格子模型,考察了其在基础湍流算例中的有效性。通过与传统迎风格式的对比,说明本文发展的低耗散格式可以显著提高非结构网格上大涡模拟的精度和可靠性。     

来流气流角变化对冲压叶栅性能的影响

本文研究的冲压叶栅基于激波增压这一思想,在冲压叶栅内组织了多道斜激波及一道结尾正激波,来实现叶栅的增压效应。采用雷诺平均N-S方程和Menter-SST湍流模型,对冲压叶栅的流场进行数值模拟。数值模拟结果表明,来流气流角在37°与49°之间变化时,冲压叶栅波系可以稳定存在,并且随着来流气流角增大,叶片通道内分离趋于严重,且有竹节波产生,使得叶栅流动分离损失及激波损失加剧,等熵效率降低。     

低阶格式在大涡模拟计算中的适用性

采用三维Taylor-Green涡作为研究对象,利用工程中常用的低阶数值格式,研究格式本身的数值误差对大涡模拟计算的影响.结果表明:三种数值格式的数值耗散行为都与亚格子模型行为类似,即在小雷诺数下,流场比较光滑时,耗散很小,当雷诺数增加,流动转捩为湍流,流场梯度增大,耗散显著增大.对于MUSCL格式和二阶有界中心格式,在高雷诺数下,亚格子尺度模型没有明显改善计算结果,但也没有使计算结果恶化.中心格式相比其它两种格式,数值耗散最小,但是在高雷诺数湍流情况下,中心格式的数值耗散仍然主导了能量的耗散,再添加亚格子模型,计算结果反而变得稍差.对于工程中的低阶格式而言,采用中心格式计算大涡模拟是比较好的选择,而且在计算不存在稳定性问题时,采用不添加亚格子模型的隐式大涡模拟效果更好.     

波状前缘对风力机翼型失速性能影响数值分析

为研究仿生波状前缘对翼型失速性能的影响,本文采用S-A湍流模型,对风力机翼型NACA634-021(光滑前缘)以及对应的正弦波状前缘仿生翼型的绕流流场进行了数值模拟。结果表明,光滑翼型在20°攻角附近发生深度失速,升力系数骤然下降;而波状前缘仿生翼型有效改善了失速特性,升力系数变化较平稳,在大攻角下高于光滑翼型。通过流场分析发现光滑翼型失速前后升力系数骤然下降的主要原因在于前缘压力面和吸力面的压差大幅度下降,而仿生翼型改变了前缘的压力分布特性,进而改变了大攻角下的分离特性,促进流向涡对的产生和发展,使得凸峰附近保持附着流动,进而提高升力。     

新型大涡数值模拟亚格子模型及应用

基于湍流大小尺度间动量输运的结构函数方程，提出了一种新的湍流大涡模型(LES)亚格子涡粘模式．新亚格子涡粘系数正比于纵向速度增量的扭率，它表征大小尺度湍流间的能量输运和耗散之比．新模式通过各向同性湍流直接数值模拟数据库的检验，并用于槽道湍流的大涡模拟计算，将所得结果与DNS结果进行了比较．     

不同亚格子模型的对比分析及其运用

本文基于大涡模拟方法,对比讨论了四种不同亚格子模型的计算原理和仿真特性,并对等离子体激励下的凸包流场进行了研究,结果表明:WALE模型和KET模型的仿真结果比较准确;Smagorinsky-Lilly模型耗散偏大且模型系数不具普适性,仿真准确性较差;WMLES模型存在严重的过度耗散,各流动参数的仿真结果误差很大,无法准确捕捉流动转捩的发生;等离子体激励通过向附面层流体注入能量产生等效的壁面射流,可以显著延缓凸包流动分离并促进流动再附、抑制涡的发生,从而起到降低耗散,湍流减阻的作用。     

旋风分离器上部空间各种二次涡的数值模拟

采用改进的雷诺应力模型对旋风分离器上部环形空间内的强旋湍流流动进行了数值模拟,重点分析了顶板和升气管附近的局部二次涡。数值模拟结果与实验对比表明雷诺应力模型对环形空间内的强旋流动有良好的预报精度。旋风分离器上部环形空间不仅在顶板下存在有二次涡,而且在升气管外壁附近还存在有局部二次涡,局部二次涡的尺度比较小,而且沿周向有变化,呈现非轴对称分布。     

八重准周期排列的短沟槽结构减阻机理分析

设计构建了一排和三排阵列的八重准周期短条纹沟槽减阻结构,以及作为对比研究的无序和周期结构,并采用雷诺Navier-Stokes方程和RANGκ-ε湍流模型,系统计算了这些结构表面的湍流边界层状态和总应力,模拟结果显示:八重准周期沟槽结构相对于周期和无序结构具有更优的减阻效应,且为三排阵列时的减阻效果明显优于单排阵列,这一结果得到了减阻实验的验证,通过分析比较不同结构的流体边界层特性发现,八重准周期结构可有效抑制附面层的涡强度,减小湍流耗散速率,保持流体条纹相的稳定性,结合二维光栅的夫琅禾费衍射波模型分析表明,八重准周期结构可减弱衍射谱在大角度方向上的谱强度,揭示出该结构抑制流体相干扰动波扩展的物理机制,并与流场分析结果相符合。     

超音速子母弹开舱后流场特性研究

用数值求解雷诺平均N-S方程的方法对超音速子母弹开舱后复杂外形的流场特性进行数值模拟.模拟结果与试验结果对比表明,采用S-A一方程湍流模型求解雷诺平均N-S方程,并以AUSM+作为离散格式的数值方法,可较细致地模拟开舱后弹体周围的定常绕流特性.对有攻角时流场结构进行分析,并对其流动机理进行探讨.发现开舱后在弹肩处的后向台阶有回流形成,横截面子弹弹体表面边界层分离使装配空隙内形成涡流并使弹体环向表面压力出现极小峰值,不规则的外形使尾流不对称.可为确定子弹抛撒初始条件提供参考.     

压气机叶栅通道中二次流动对三维角区分离流动的影响

本文数值模拟研究了不同攻角下压气机PVD叶栅中的复杂流动情况,分析了叶栅通道中的二次流对三维角区分离流动的影响。结果表明:马蹄涡在压气机叶栅通道中的发展不明显并且在叶栅通道中很快耗散,因此对三维角区分离影响不大;而通道涡是压气机叶栅通道中主要的二次涡,增强了三维角区分离流动现象,增加了气流总压损失。