关于气动声学数值计算的方法与进展

气动声学数值计算是近年才出现的研究领域。本文介绍了气动声学数值计算的方法和有关的问题、边界条件的处理以及计算非线性声波的数值方法和进展。讨论了计算气动声学(CAA)的特性及其与计算流体力学(CFD)的差异，指出气动声学数值方法的关键是建立能保持色散关系的差分方程和正确处理无反射边界条件。对于非线性声波传播的问题，为了得到正确的解，应注意提高差分格式对短波的分辨能力，同时发展能抑制“伪”振荡(短波)而对长波基本不起作用的数值方法。     

应用于计算气动声学的优化有限紧致格式

对于含间断的计算气动声学问题,数值计算的格式不仅要求低耗散低色散的设计,对短波具有较高的分辨率,还要求能捕捉激波.中心紧致格式具有高精度,具有无耗散和低色散特征,但不能捕捉间断和激波;WENO格式处理间断较为成功,而耗散和色散误差相对较大.有限紧致格式可以将紧致格式与WENO格式相结合构造成混合格式,利用光滑因子之间的关系对激波区域进行自动判断,将传统的全域求解的紧致格式划分为有限的局部紧致求解,间断点上的激波捕捉铜梁自动作为局部紧致求解的边界通量,在在光滑区域具有紧致格式的高精度低耗散性质,在激波附近不产生非物理振荡.本文利用有限紧致格式思想,构造了新的适合于气动声学问题的优化有限紧致格式,将其应用于计算气动声学一维标准测试问题,对相关格式的模拟性能进行了评估,显示该格式在宽频声波传播和含有间断的声波传播模拟方面具有优势.     

涡、声干扰研究的某些进展

综述射流和翼型绕流中涡声及声学控制流动的研究进展，总结涡、声干扰的若干基本理论，并讨论数值模拟在此领域中的应用．     

以有限元方法为主体的计算气动热力学

计算气动热力学是一个新的领域,它是航天技术发展的产物,同时它又对航天技术的发展起了很大的推动作用.本文论述了航天器与气动热力学,计算气动热力学与有限元法,有限元法与气体-热-结构三位一体化以及计算气动热力学的前景.     

激波-涡干扰声场的数值研究

采用高精度差分格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对激波－单涡／双涡相互干扰产生的声场进行了直接数值。详细研究了波－涡干扰声场结构的早期发展阶段,将激波－单涡的计算结果和相应实验进行 对比,并给出近场声压的衰减规律。在此基础上模拟较为复杂的激波－双涡干扰,给出不同旋涡旋转方向下的声场结构。     

高速列车外形的气动性能数值计算和头部外形的改进

运用流体力学数值计算软件CFX对我国200km／h电动旅客列车的空气动力性能进行了数值模拟计算，针对列车气动外形存在的问题，对列车头部外形进行了改进，并提出了三种列车头部外形改进方案且对其进行了数值模拟研究。计算结果表明，方案三优于其它两种方案，且较改进前列车的空气动力性能有了较大改善。     

浸入式边界方法的研究及应用进展

本文总结了浸入式边界方法 (immersed bundary method, IB method)中的力源建模研究进展,并且对该方法在诸如生物体绕流及流固耦合等典型的复杂边界以及运动边界问题中的应用进行了介绍.边界精度低是IB方法主要特征之一,但该方法目前在计算气动声学等高精度计算中同样有所应用.最后本文对IB方法在处理高雷诺数流动问题上所面临的挑战以及目前研究进展和未来发展方向进行了介绍.     

求解气动方程的混合反扩散方法

本文综述了反扩散格式的发展,指出利用混合反扩散方法,理论上既可导出Beam—Warming以及Jameson等发展的含参数的格式,又可导出不含参数的TVD格式.研究了含参数的混合反扩散格式和不含参数的反扩散格式,并介绍了格式的应用情况.      

计算流体动力学和计算水动力学的进展和展望

从计算流体动力学与计算水动力学的三个主要方面──数学模型研究、数值模拟方法研究和应用计算机软件研制谈其发展状况和进展。     

一种考虑薄壁散射效应的声学计算模型

采用薄壁边界元/FW-H理论混合方法建立了考虑薄壁声学散射效应的数值计算模型.这种声学计算模型可以预测存在薄壁如风扇机匣、蜗壳等条件下的声波的传播及散射问题.计算模型的建立主要包含噪声源的计算和声源的传播两方面:首先建立FW-H的频域方程,并采用计算流体力学方法计算流场,通过流场数据计算气动噪声源;然后采用薄壁面边界元法计算固壁对声波的散射,并计算声波在固壁散射后的声场分布.数值计算结果和实验结果及经典的叶轮机管道风扇噪声理论进行了对比,结果表明,这种计算模型与理论计算结果及实验结果吻合较好,可以准确的预测机匣壁的散射效应对声源传播的影响.     

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

岩土力学与地下工程结构分析计算的若干进展

本文扼要介绍了岩土力学和地下工程结构分析计算方面近年来的若干进展，主要只对作者在课题研究中所接触到的一些工作进行综合性阐述，而未求涉猎该一子学科领域中所有问题。本文的主要内容包括：岩土力学学科的若干进展；几种有前景的数值方法；计算机科学在岩土力学与地下工程中的采用和地下结构的抗震动力分析计算研究。     

声学黑洞结构应用中的力学问题

声学黑洞(acoustic black hole,ABH)效应是利用薄壁结构几何参数或者材料特性参数的梯度变化,使波在结构中的传播速度逐渐减小,理想情况下波速减小至零从而不发生反射的现象.实现声学黑洞效应的主要方法是将薄板结构的厚度按照一定规律裁剪,利用声学黑洞可以将结构中传播的波动能量聚集在特定的位置.声学黑洞对波的聚集具有宽频高效、实现方法简单灵活等特点,在薄壁结构的减振降噪、能量回收等应用中具有明显的优势.本文介绍声学黑洞效应的基本原理、相关力学问题的研究进展和有待进一步探究的问题,包括声学黑洞结构的建模与分析方法、实验研究方法及进展、声学黑洞结构中波的传播与操控,以及声学黑洞在工程应用中的相关问题.     

分叉问题及其计算方法

分叉(bifurcation)现象是客观世界中普遍存在着的。人们最早认识它可能是从力学系统的平衡状态曲线的分叉现象开始的。为了形象地说明,我们考虑如图1.1(a)所示的弹性压杆。设压力为P,中点A的挠度为f。当P由O增大时,杆起初保持为直线,而当P...     

空腔流激振荡发声的数值模拟研究

通过求解二维非定常雷诺平均Navier—Stokes方程,对亚音速情况下长宽比为L／D=2的空腔流动进行了计算气动声学数值模拟研究．湍流模型选取标准κ-ε模型,空间离散采用频散相关保持格式,时间积分采用低耗散低频散龙格库塔法,进出口远场边界采用以摄动解为基础的无反射边界条件,计算结果首先与Krishnamurty实验观测的密度场纹影图进行了对比,不论是在腔内流场分布还是腔外辐射指向性上,都与实验结果符合较好;然后与Rossiter公式进行了频率对比,其结果不但较为准确地捕捉到了振荡低阶模态的频率,而且也捕捉到了振荡高阶模态的频率特性,在此基础上研究了边界层厚度对振荡性质的影响,研究表明边界层厚度对振荡幅值影响较大,而且使振荡频率发生小幅偏移,最后探讨了振荡的发声机理,分析了振荡发声及声反馈的过程,发现了空腔前缘的二次发声现象。     

时间推进方法在叶轮机械内部流场计算中的进展

时间推进方法目前广泛应用于叶轮机械内部流场的计算,这种方法可以划分成显式时间推进方法和隐式时间推进方法．本文简要介绍了时间推进方法用于叶轮机械内部流场计算的起源及这种方法的优点和缺点,重点记述了国内外叶轮机界应用显式时间推进方法和隐式时间推进方法计算叶轮机内部流场的最新进展,并简要介绍世界上一些著名的研究机构开发的时间推进方法计算程序所采用的数值计算方法      

计算力学非线性分析的现状与展望

本文对计算力学非线性分析近年来的发展做了简单回顾。文中说明了非线性数值分析日益受到重视并且还需要走很长的路,进而介绍了近廿年来非线性问题算法的两个最要方面:延续算法和单纯形算法。文末对数值方法未来十年的可能发展做了展望。     

基于Navier-Stokes／Kirchhoff方程的悬停旋翼跨声速气动声学计算

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响.发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法.数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分.悬停旋翼流场的数值模拟是在两个相互重叠的网格上进行的:在高质量的旋翼网格上求解Navier-Stokes方程,用于模拟旋翼附近的粘性流动和近场尾涡的捕捉;在远离粘性区域处布置符合悬停流场物理特征的圆柱形背景网格,控制方程为Euler方程,用于远场尾涡的捕捉.计算得到的流场信息插值到用于声场计算的Kirchhoff积分面上.观测点处的噪声可以认为是由这个完全包含桨叶的Kirchhoff积分面上的面元(声源)发声得到.远场声波的传播由Kirchhoff积分公式描述.计算结果表明:采用有盖有底的Kirchhoff积分面并且同时计及旋翼网格流场值时,计算得到的HSI噪声与实验值吻合最好.     

波涡相互作用研究的某些进展(Ⅰ)

波涡相互作用是当代非定常非线性流体力学的一个重要领域.本文评述了迄今人们对微扰纵波(声波,不包括激波)和横波(涡波)与层状和轴状涡相互作用的研究进展,包括涡声理论、锐缘及光滑表面涡层分离以及自由涡层的2维感受性和非定常Kutta条件,波产生时均涡流的非线性Eulcr整流和广义Lagrange整流,波涡共振等课题的进展.还介绍了用非定常激发实施涡控制这一重要应用领域的一些新进展.      

近似黎曼解对高超声速气动热计算的影响研究

高超声速流场计算一般采用TVD型格式,这些格式中,大多采用了不同形式的近似黎曼解. 通过分析和数值验证,论述了激波捕捉格式中近似黎曼解的耗散性质,说明其对高超声速热流计算的影响. 数值实验证明,采用低耗散格式可大大提高热流计算精度,降低热流计算对网格的依赖程度,从而获得精确的热流数值解.