满足几何守恒律的WENO格式及其应用

对几何守恒律的来源进行了分析,发展了一种满足几何守恒律的WENO格式,并应用于翼型层流分离现象的数值模拟中。为消除网格质量影响,采用守恒型方法计算网格导数,并将标准的WENO格式分解为中心差分部分和数值耗散部分。算例计算结果表明,几何守恒律对高精度有限差分WENO格式计算结果具有重要影响,本文方法能够消除网格导数计算误差,保证来流保持性。将本文方法应用于SD7003翼型层流分离现象的数值模拟中,计算结果与文献中计算及试验数据吻合较好,同时能够精细捕捉小尺度流场结构,准确模拟翼型层流分离现象中的复杂流动过程。     

对称翼型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究

采用Rogers发展的三阶Roe格式,求解非定常不可压N-S方程,时间方向为二阶精度双时间步方法, 数值模拟了对称翼型SD8020低雷诺数(Re=40000,100000)条件下,流场层流分离涡结构和升力系数随攻角的变化．同试验比较证明了数值模拟的正确性．通过对数值模拟时均化流场结果的详细分析,发现对称翼型在小雷诺数0°攻角附近出现的层流分离泡,其内部结构和演化规律都不同于经典层流分离泡模型,从而提出了一种后缘层流分离泡模型．并应用该模型对对称翼型小攻角低雷诺数流场特性以及升力系数非线性效应的形成机理进行了研究和解释．     

基于分区拼接网格技术高升力装置流场数值模拟

针对高升力装置构型模型结构复杂、流场变化剧烈等特点,本文采用分区拼接网格的思想分别按照流场和结构拓扑特点对高升力装置进行了网格分区。在分区的基础上逐块生成网格,减小了增升装置网格的生成难度,提高了网格质量,减少了网格数目。首先,研究了高升力装置的分区策略及流场特点;接着以MD30P-30N多段翼型为研究算例研究了网格比例和插值方法对计算结果的影响。经过分析对比可知:外部区域与近壁区域之间的比例不宜小于1:5;内部域网格比例不宜超过1:1.8,最好保持在1:1左右;计算中应该采用高阶精度插值以保证计算精度。采用某四段翼型进行了验证;最后采用NASA标准高升力装置进行了三维高升力装置流场数值模拟并与相应风洞实验数据及对接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性。同时分析研究了绕三维增升装置的流动及其周围复杂的粘性流动现象。     

侧向多喷口干扰复杂流动数值模拟研究

采用具有高分辨率的NND格式,通过数值求解N-S方程对典型外形多喷口侧向喷流复杂干扰流动进行了数值模拟. 为了提高计算效率,采用了LU-SGS隐式算法. 采用分块对接网格技术,生成高质量的贴体计算网格,精确模拟喷口截面. 对比分析了不同计算格式、限制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构和压力分布特性的影响,研究和分析了喷口附近流场的涡系结构、波系结构和喷流干扰引起的气动力特性. 在上述研究的基础上,针对典型飞行器外形的侧向喷流干扰特性进行了详细的数值模拟,得到了喷口参数(喷口位置、数目等)及来流条件对喷流干扰流场结构、气动力特性的影响规律,并对其流动机理进行了相应的分析. 研究表明,发展的针对多喷口侧喷干扰的数值计算方法是成功的,可以应用于飞行器侧向喷流干扰的流场结构分析及气动力特性数值预测.      

一种改进混合迎风格式在翼型流场激波捕捉中的应用

波阻是飞行器超音速飞行的关键设计因素,精确捕捉激波在流场中的位置,是数值模拟含激波流场和精确计算波阻的一个重要研究内容.本文基于网格节点有限体积空间离散方法,采用AUSM格式与FVS格式的混合格式(MAUSM方法)计算对流通量,从而抑制在数值模拟流场出现的激波处振荡和过冲现象,确保AUSM准确捕获接触间断的特性和FVS格式捕捉激波的能力.本文使用MAUSM方法分别计算了在跨声速和超声速条件下的NACA0012翼型流场,并与中心差分格式的计算结果进行比较.结果表明,对于存在激波的翼型流场,MAUSM方法是有效的.     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

可渗透壁对翼型声涡相互作用下流场及声场的影响

由仿生学原理构建的可渗透翼型对湍流气动噪声抑制作用已展现良好的应用前景。对NACA 0012可渗透翼型和实体翼型进行了数值计算,得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场,分析了可渗透壁对翼型流场和声场的影响。研究表明,相对实体翼型,可渗透壁通过减小声源强度降低了主纯音噪声声压级幅值和远场总声压级,消除了高阶离散纯音,但对噪声的指向性没有较大改变。进一步的流场分析表明,可渗透壁对翼型气动性能影响不大的情况下能够降低边界层扰动和翼型后缘大尺度涡旋强度,并推迟分离泡转捩和再附位置。     

适用于任意网格拓扑和质量的格心有限体积法

针对格心有限体积法的离散精度易受网格类型影响的问题,基于最小二乘原理,提出了一种适用于任意网格拓扑和网格质量的有限体积方法.在解的光滑区能保证二阶精度,可光滑、陡峭地捕捉激波等强间断面.精度与网格无关,且算法统一的特性使其非常适用于网格自适应和多重网格等计算应用,同时也降低了网格生成和流场求解的复杂性.跨音速算例的网格含有多种网格拓扑,计算结果表明发展的线性重构方法(linearreconstruction method,LRM)适用于不同的网格拓扑,计算得到的激波位置准确、陡峭,未产生数值振荡.运用Ringleb流动考查了该方法对低质量网格的收敛性,与传统方法相比,线性重构方法(LRM)不仅平均误差较小,而且误差随网格尺度的收敛性也更好,其精度接近二阶.三段翼型的黏性绕流计算进一步表明网格质量对其精度的影响较小.     

水面舰船尾流电导率信号分布规律的研究

在舰船尾流区与非尾流区之间存在显著的速度差和盐度(或密度)差,利用电导率探头可获得对应于这些差别的尾流电导率信号。在水槽中形成了与海洋环境类似的盐度分层流场,由双螺旋桨自航水面船模产生尾流,分别在盐度分层流场和非分层均匀流场中测量了尾流电导率信号的横向分布,并对盐度分层流场中水面舰船尾流的纵向速度分布进行了数值计算。结果表明:在盐度分层流场和非分层均匀流场中水面舰船尾流的电导率信号沿其横向近似呈高斯分布;尾流速度对其电导率信号的影响比盐度梯度的影响大得多;尾流的无量纲纵向速度亏损的数值计算结果与尾流的相对电导率信号横向分布的实测结果具有很好的一致性。     

AUFS 格式在无网格方法中的应用简

将计算量小,激波分辨率高的AUFS (artificially upstream flux vector splitting) 格式应用于无网格方法. 所发展算法基于多项式基函数最小二乘无网格方法,采用线性基函数曲面拟合及AUFS 格式计算各离散点的空间导数,应用四阶Runge-Kutta 法进行时间显式推进. 为验证算法健壮性、精度以及计算效率,对Riemann 问题、超音速平面流动,以及不同攻角NACA0012 翼型跨音速流场进行了数值模拟,其结果同采用HLLC (Harten-Lax-van Leer-contact) 格式的无网格方法以及文献报道结果吻合较好,并且计算量较形式简单HLLC 格式减少约15%.     

AUFS格式在无网格方法中的应用

将计算量小,激波分辨率高的AUFS(artificially upstream flux vector splitting)格式应用于无网格方法.所发展算法基于多项式基函数最小二乘无网格方法,采用线性基函数曲面拟合及AUFS格式计算各离散点的空间导数,应用四阶Runge--Kutta法进行时间显式推进.为验证算法健壮性、精度以及计算效率,对Riemann问题、超音速平面流动,以及不同攻角NACA0012翼型跨音速流场进行了数值模拟,其结果同采用HLLC(Harten-Lax-van Leer-contact)格式的无网格方法以及文献报道结果吻合较好,并且计算量较形式简单HLLC格式减少约15%.     

基于深度神经网络的横流转捩预测

基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系,获得一种新的数据驱动转捩模型.通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,有效简化了转捩模型输运方程求解,实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算. DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果,并以两种工况进行测试,数据驱动转捩模型预测精度与γ-Reθ转捩模型近似.将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算,以验证其泛化能力.对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼,数据驱动转捩模型与γ-Reθt-CF模型预测的转捩位置几乎一致,并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中,转捩位置先向前再向后移动的现象;对于标准椭球体,使用低分辨率网格进行计算,数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测,对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致.研究表明,以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练,并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,可以实现对横流转捩的有效预测,且具有较强的泛化能力.数...     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明:与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.      

全附体潜艇粘性流场的RANS模拟及场量和涡量的校验分析

采用相同拓扑结构和相近网格质量的4套网格和5种湍流模型,对全附体Suboff潜艇粘性流场进行RANS模拟,分析了网格密度、节点空间分布规律和湍流模型对计算精度的影响,详细校验了其力积分量、速度场量和涡量特征。结果表明:网格密度最大的G4网格(140万)计算精度最高,总阻力较实验值误差为0.723%,其采用SST湍流模型时最优。计算得到的压力系数和剪切应力系数分布均与实验值吻合很好;桨盘面速度等值线分布计算精度与文献相当,轴向相对速度0.9以上的计算半径稍大于实验值,其余半径与实验吻合较好;桨盘面上0.25倍半径处速度分量沿周向分布计算精度较文献高,轴向分量与实验值吻合较好,径向分量峰值稍小于实验值,但峰值所处周向位置与实验值一致。成功捕捉到了附体端面绕流诱导对旋涡、附体叶根截面下游处项链形涡对、尾翼端面尾缘上方附着涡蹄、附体马蹄涡系、尾翼截面通道流体挤压作用诱导涡以及桨盘面涡量汇集的潜艇涡量场特征,且围壳端面绕流诱导对旋涡沿流动方向持续稳定,不影响桨盘面涡量场,均与文献中由大涡模拟模拟得到的定性结论一致。研究表明,在网格密度较大、节点分布合理、网格质量较高、湍流模型选取适当和壁面函数使用有效的条件下,RANS模拟潜艇粘性流场的场量和涡量特征同样具有很高的计算精度,能够在工程应用中有力支撑新型艇型设计与性能分析。     

基于温敏光纤的边界层转捩测量技术研究

利用LUNA公司的ODi SI-B光纤分布式传感系统,开展基于温敏光纤的高精度转捩测量技术研究。试验在NF-3低速风洞中进行。在钢架木质OA309旋翼翼型模型展向中剖面沿弦向开槽埋入电热丝及温敏光纤,用ODi SI-B光纤分布式传感系统测量翼型表面弦向温度分布,按照模型表面温度变化进行边界层转捩判断。通过牛顿冷却公式推导出换热系数比,并根据换热系数比的阶跃来判断转捩位置。结果表明:电热丝与光纤间距的不均匀会导致加热不均匀,进而影响转捩判断;在一定迎角范围下,无论是层流区域还是湍流区域内,温度下降量线重合,换热系数比曲线也重合;转捩区发生从层流线到湍流线跳跃的规律,可以用于边界层转捩判断;可以实现毫米级空间准度的转捩位置测量,得到的转捩位置结果与已有文献的结果一致,转捩判断结果随迎角和雷诺数的变化也符合气动规律。     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

一种层流翼型附面层流动的数值模拟和实验研究

论文通过数值模拟方法对NACA6412层流翼型的低速绕流特性进行了研究,采用修正的BaldwinLomax湍流模型对来流速度为25m/s、8°迎角时翼型的流场、背风区的速度型分布、不同弦向位置附面层厚度的变化规律以及转捩位置进行了模拟,数值模拟结果与风洞实验结果具有一定的相关性.     

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.      

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.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.