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.     

鸭式旋翼/机翼飞机悬停及小速度前飞气动干扰实验研究

鸭式旋翼/机翼飞机是一种新概念可垂直起降高速飞行器,为了解该飞机在悬停及小速度前飞时的全机气动干扰特性,在南京航空航天大学开口风洞中进行了飞机全机气动力实验,实验采用多台测力天平分别测量主机翼和机身的气动力.结果表明,悬停时受主机翼高速旋转产生的下洗尾流影响,机身产生了较大的法向力和低头力矩;前飞时下洗尾流对机身的法向力和俯仰力矩有比较严重的干扰,对滚转力矩和偏航力矩干扰较小,对侧向力有一定影响.实验结果为飞机的飞行动力学特性研究以及控制律设计提供了参考.＃     

悬浮颗粒运动的格子Boltzmann数值模拟

将固体颗粒的牛顿力学和格子Boltzmann方法相结合,研究不规则形状悬浮颗粒在流场中的运动。通过受力分析,精确求得其所受合力、合力矩、合力作用中心等。提出了跟随颗粒运动的动网格计算域技术和模拟悬浮颗粒转动运动的局部数组方法及Euler-Lagrange两套坐标技术。通过对椭圆颗粒运动的数值模拟和对照他人对矩形颗粒的研究,分析了其复杂运动规律,并提供了合理的物理解释。结果表明:运用格子Boltzmann方法和上述特殊技术可以得到与有限元方法相同的模拟精度,且具有计算速度快、对复杂形状边界处理方便灵活、程序简单及特别适合大规模并行计算等优点。     

扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟及流动控制研究

对于处在低雷诺数下的微型旋翼,扰动风对其流场影响很大。本文基于动态嵌套网格技术的双时间法,采用网格速度法模拟扰动风,研究了不同频率和幅值的正弦式扰动风下三维微型旋翼上的拉力系数响应情况,并采用变形网格方法模拟了旋翼桨叶的周期性边距运动对扰动风的流动控制,为今后旋翼机的主动控制研究提供了线索。研究结果表明,低雷诺数下,旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线拟合函数与扰动风函数形式相同,响应曲线函数同样具有周期性变化趋势,波动幅值与扰动风幅值成正比例关系;对不同飞行状态下的旋翼,采用周期等角变距方式,能够找到一个适合的控制参数使得旋翼在正弦式扰动风环境下旋翼的拉力波动在一定范围内得到有效抑制。     

建筑立面风驱雨气动干扰特性的数值模拟研究

风驱雨(Wind-Driven Rain,简称WDR)是建筑立面最主要的水分来源之一,对结构耐久性和建筑温湿性能存在重要影响。目前,WDR分布特性的研究主要针对单体布局,考虑群体布局条件下建筑立面WDR受气动干扰影响的研究仍比较缺乏,并且基于立面区域性特征的WDR气动干扰研究更为缺少。基于欧拉多相流模型的CFD数值模拟方法,在利用某群布局建筑WDR实测数据验证数值方法的基础上,模拟分析某两串列布局建筑WDR场,通过对气动干扰不同影响因素的定量分析,获取不同影响因素下受扰建筑迎风面中线位置抓取率、测点抓取率比值、局部区域干扰因子的气动干扰变化规律。结果表明:受扰建筑迎风面WDR干扰效应受施扰建筑高度和风速变化影响较大,而受建筑间距和雨强变化影响相对较小。对于建筑WDR干扰研究,局部区域干扰因子能更好地反映气动干扰对立面WDR分布的影响。     

二维湍流与弱激波相互干扰的数值模拟研究

数值研究了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰的问题。得到了当湍流马赫效不同时,弱激波在湍流中的传播所发生的变化;给出了激波之后湍流速度脉动的方差随时间变化的趋势,并且通过其增幅在不同空间方向上的差异,揭示了激波之后湍流场的各向异性;同时分析了激波之后湍流动能的增幅和密度脉动方差的增幅对于湍流马赫效和激波马赫效各自的依赖情况。研究表明：湍流马赫效和激波马赫效在湍流与激波相互干扰的过程中起到了决定的作用。通过数值研究,初步得出了二维各向同性湍流与弱激波相互干扰问题的某些规律和特性,这对于进一步理解和研究湍流与激波相互作用的规律及其内在机理具有重要意义。     

非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

不可压Navier-Stokes方程基于误差估算的网格自适应解法

首先导出了广义Stokes方程Petrov—Galerkin有限元数值解的当地事后误差估算公式;以非连续二阶鼓包（bump）函数空间为速度、压强误差的近似空间,该估算基于求解当地单元上的广义Stokes问题。然后,证明了误差估算值与精确误差之间的等价性。最后,将误差估算方法应用于Navier—Stokes环境,以进行不可压粘流计算中的网格自适应处理。数值实验中成功地捕获了多强度物理现象,验证了本文所发展的方法。     

用鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格计算旋翼粘性绕流

发展了一种基于鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格技术计算直升机悬停旋翼流场的方法。基于惯性坐标系,悬停旋翼流场是非定常流场,控制方程为可压缩Reynolds平均Navier-Stoke方程,其对流项采用Roe近似Reimann求解器离散,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构,非定常时间推进采用含牛顿型LUSGS子迭代的全隐式双时间步方法。为实施旋转运动和便于捕捉尾迹,计算采用运动重叠网格技术。计算得到的桨叶表面压力分布及桨尖涡涡核位置都与实验结果吻合较好。数值结果表明:所发展方法对桨尖涡具有较高的分辨率,对激波具有较好的捕捉能力,该方法可进一步推广到前飞旋翼粘性绕流的计算。     

基于多块嵌套结构动网格的拦截弹防热保护罩的二维分离模拟

在末制导阶段,拦截弹上的红外热保护罩要进行分离,分离引起的气动力变化将直接影响到导弹的制导精度.采用多块嵌套结构动网格技术数值模拟了拦截导弹的热保护罩的二维分离过程.给出了在整个分离过程中,两片保护罩运动的轨迹,并且给出了各个时间步对应的压力云图.预测了由于前激波而产生的作用在导弹上气动力的振荡.跟踪了在各个时刻流场对于导弹上红外窗口的影响.     

Numerical Simulation of Aerodynamic Characteristics of Two Rectangular Cylinders in Side-by-side Arrangement

We present numerical results of flows around two rectangular cylinders in side-by-side arrangement by three-dimensional computations. The two rectangular cylinders are arranged with various distances between the cylinders. The three-dimensional flow structures around two rectangular cylinders denote significant features depending on the distance between the cylinders. In our computations, the Reynolds number Re is set as 10,000, and both the aspect ratio of section of two rectangular cylinders and the distance between the cylinders are considered as parameters to calculate the flow around two rectangular cylinders. The obtained numerical results are also compared with experimental data.     

方腔双壁反向驱动流涡结构演化的数值模拟

采用微分求积法计算分析了不同雷诺数的二维方腔驱动流涡结构特性.数值模拟着重研究了雷诺数从0.01到1000变化对方腔双壁反向驱动流涡结构演化的影响,给出了涡演化过程的流型图和分叉图.结果表明,当雷诺数接近0时,腔内流动呈现对称的涡结构流型;随着雷诺数增加,子涡的大小和中心位置发生变化,鞍点始终位于方腔的中心,腔内流动形成非对称的斜扭流型;当雷诺数增大到某一临界值后,单一大涡占住整个方腔,大涡的形状变得更圆;如果雷诺数继续增加,方腔左上角和右下角同时出现二级涡,大涡中心始终位于方腔中心不变.     

Numerical Modelling of Free-Surface Flow-Porous Media Interaction Using Divergence-Free Moving Particle Semi-Implicit Method

A divergence-free moving particle semi-implicit method is introduced for free-surface flow through porous media. Numerical incompressibility is conserved by solving additional pressure Poisson equation (PPE). Depending on current particle coordinates, a porosity-based factor is introduced to incorporate the effect of solid volume inside the porous domain. A hybrid formulation containing specified boundary condition and PPE is utilized on free-surface particles. The current framework is tested for four different problems. The first problem shows the effect of the proposed factor in vertical flow through a rectangular porous block and its representative volume change for different phases. Second and third problems validate the numerical model for dam break through a rectangular block of homogeneous porous media. In the fourth problem, flow through a trapezoidal porous block consisting of different porous media with variable effective porosity and permeability is simulated.     

气浮动压轴承的静特性数值计算与实验研究

为了实现对气浮动压轴承的静特性能进行研究,文中提出并设计了一种圆锥型气浮动压轴承.在数学模型建立的基础上对其求解域进行了保角变换和斜坐标变换,运用局部积分有限差分对控制方程在斜坐标系下的差分式进行了推导,利用VB对控制方程的静特性进行了数值计算求解.结果表明:螺旋槽能很好实现气浮轴承动压效应,轴承的转速N对其动压效应影响比较大,转速N越高其动压效应越明显;轴承的螺旋角和槽深比对轴承的静特性的影响存在一个最佳参数,轴承的槽数和槽宽比增加到一定值后继续增大对轴承的承载力的影响不明显.实验结果与数值计算结果进行了比较,两者基本一致,为气浮动压轴承的研究与发展提供了一种新结构和新思路.     

自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流,采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明,由于蒸汽环境中背压较低,欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波,使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大;尾喷流很难形成规则的激波格栅,波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明,尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域;尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂,断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象;受空泡壁面约束,尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀,尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩,在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏;空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近,没有显著增加．     

褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌．研究者们致力于利用仿生学原理,设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型．本文采用计算流体力学方法,求解二维不可压Navier-Stokes方程组,探讨了四种翼型（平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型）的气动表现．在低雷诺数条件下得到以下结果：(1) 较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力．(2) 雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化;在特定雷诺数区间,幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变．(3) 褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力,使得翼型总阻力下降．(4) 翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力,对升力表现产生较大影响．这些结果表明,调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案．     

Direct Numerical Simulation of Turbulence in a Stably Stratified Fluid and Wave-Shear Interaction

Turbulence decay in a strongly stratified medium is simulated by a direct pseudo-spectral code solving the three-dimensional equations of motion under the Boussinesq approximation. The results are compared to non-stratified simulations results. We focus on the production of mean shear energy observed in the stratified case. We then simulate the decay of stratified turbulence when affected by an initial horizontal mean flow and show that this mean flow is the major component remaining at large t. Next, we give some analytical elements on wave-shear interaction by using a simple refraction calculation with WKB hypothesis. This calculation is illustrated by simulating the interaction between one monochromatic internal wave and a vertical shear profile. We conclude that the existence of singularities in the mean shear production term in the presence of internal gravity waves may be one of the possible mechanisms involved within stratified turbulent shear flows.