非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.      

交通工具上的小空间睡眠区不同气流组织的数值分析

长途旅行中的睡眠区气流组织设计对于人体热舒适和空气质量控制是极其重要的。为了给小空间睡眠区提供更加舒适和空气质量更佳的气流组织,本文首次针对置换通风、个性通风、混合通风三种通风方式,利用CFD(计算流体力学)对睡眠区速度场、温度场、污染物CO2的浓度分布进行了数值模拟分析。对利用CFD计算出的面部舒适速度比例(FSR)、吹风感(DR)、空气龄(MA)进行比较,得出:在睡眠区采用个性送风可以在最节能的情况下得到更好的面部舒适速度比例和空气质量,优于置换通风和混合通风;1.5m3/min为个性通风的最佳通风量;为了避免在睡眠区使用个性通风时产生吹风感,应该保证送风温度不能过低;增大个性送风口送风面积可以有效降低吹风感。     

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30～70 km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.     

微型飞行器低雷诺数空气动力学

微型飞行器(MAVs)设计绝不是常规飞行器在尺度上的简单缩小,面临许多技术难题.其中微型飞行器低雷诺数空气动力学是其最为根本的技术瓶颈之一,也是当前受到广泛关注的热点之一.本文紧密结合微型飞行器技术,对这一领域中所面临的低雷诺数空气动力学问题和近两年来该方向国内一些新的进展进行了较为详细的介绍.按照MAVs飞行方式和结构特性进行分类,简单介绍微型飞行器研究中的低$Re$数空气动力学问题.首先介绍了二维和三维固定翼低雷诺数空气动力学问题:包括层流分离泡,翼型升力系数小攻角非线性效应,静态迟滞效应,以及低$Re$数小展弦比机翼气动特性.第2,介绍了拍动翼低雷诺数空气动力学方面的研究工作.包括前人提出的昆虫低$Re$数下获得高升力的多种非定常拍动翼飞行机制:Wagner效应、Weis-Fogh效应(clap-and-fling)、延迟失速效应(delayedstall)、Kramer效应(rotational forces)、尾迹捕获效应(wakecapture)、附加质量效应(addedmass)等.以及国内学者近几年在拍动翼方面取得的一些研究成果.第3,介绍了柔性翼低雷诺数气动问题.研究表明柔性翼对于固定翼微型飞行器提高抗阵风能力,拍动翼微型飞行器产生足够的升力和推力.最后简单介绍了可变形翼(morphingwing)微型飞行器方面的一些研究工作,指出微型飞行器技术可以通过采用可变形翼设计,突破众多的技术瓶颈.另一方面,可变形翼概念可以通过在低成本,低速的MAVs上进行飞行试验,获得非常好的验证平台.      

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30$\sim$70km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.      

NS方程在隧道通风工程中的应用

在隧道通风工程中,为了研究通风过程中风压风速度的变化情况,将隧道中空气的流动看成流体力学中所研究的粘性不可压缩流体的非定常流动。用NS方程作为隧道通风的数学模型,采用三次插值伪质点法求解NS方程。以浙江台州104国道黄土岭隧道风改建工程为研究对象,对不同长度和高度的引洞通风状况给出计算机数值模拟,并进一步分析通风过程中风压风速的变化情况。从达到通风要求、提高通风效率的角度出发,可根据本文的计算结果与数据分析,选择最优化的通风方案。     

热喷干扰气体模型对飞行器气动特性影响分析

针对不同气体模型对高超声速飞行器喷流反作用控制系统(RCS)热喷干扰流场模拟的计算效率和准确性问题, 基于喷流燃气物理化学模型, 通过数值求解含化学反应源项的三维N-S方程, 建立了飞行器RCS热喷干扰流场数值模拟方法, 分别采用化学反应流、反应冻结流、二元异质流以及空气喷流四种气体模型开展了典型外形热喷干扰流场的数值模拟, 研究了不同气体模型对热喷干扰流场结构、飞行器气动力热特性的影响, 分析了不同马赫数、飞行高度下的变化规律. 研究表明: 化学反应流模型计算精度较高, 计算与风洞试验数据的吻合程度优于其他三种简化模型; 在本文的低空条件下, 采用简化模型进行热喷干扰流场数值模拟, 会低估分离区大小, 使飞行器气动力特性预测出现偏差, 同时也会低估表面热环境, 对防热系统设计不利, 随着马赫数增加, 简化模型对气动力热特性预估的误差进一步增大, 同时不同简化模型之间的差异也进一步增大; 飞行高度较高时, 模型之间的差异减小, 此时可采用简化模型进行计算以提高计算效率. 本文的研究结果可为飞行器热喷干扰流场数值模拟及喷流反作用控制系统设计提供参考.      

流体力学与国土安全

国土安全涉及到流体力学的广泛应用, 并为其研究发展提供了诸多机遇. 本 评论选择列举了流体力学在反恐领域的各类课题, 还建议了今后的研究方向. 课题范围从防 备、遏制策划中的恐怖袭击, 一直到探测、应对和恢复. 具体的内容则包括飞机加固, 爆炸 缓冲, 传感器取样, 爆炸物探测, 微流控和芯片实验室, 城市环境中化学羽流弥散以及建筑 物通风等. 此外, 本文还讨论了蒸气羽流与远距探测, 非致命武器, 疾病空气传播, 人员防 护装备以及污染移除问题. 涉及这类的应用, 要求流体力学家跨越传统领域的边界, 进行交 叉学科研究, 特别是要结合化学、生物学、气溶胶学与大气科学协同工作.     

生物运动仿生力学与智能微型飞行器

概述了微型飞行器研究与发展现状,分析了实用化面临的主要技术关键,重点讨论了低雷诺数空气动力学、高升阻比气动布局、智能控制等问题．已有的经验和理论分析表明：主尺度小于15cm以后,用常规方法已经很难设计出具有良好飞行性能的微型飞行器,而必须采用仿生学方法．对微型飞行器仿生学设计中的一些主要问题,包括高升力、高机动性、抗干扰稳定性以及飞行过程的力能学分析等问题分别进行了讨论。     

超高速撞击厚靶过程的能量分配研究

超高速撞击过程的能量分配研究,对于解决动能撞击、发展导弹拦截技术、判定空间飞行器被撞事件及评估碰撞破坏程度具有重要的理论意义。本文在总结前人关于超高速撞击过程能量分配的基础上,将超高速撞击厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、撞击产生碎片的崩溅能和产生电磁辐射的辐射能,并结合理论推导、实验和数值模拟对撞击速度为2.61km/s且正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明：无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量结果、理论推导结果与数值模拟的结果均基本吻合。该研究成果在解决行驶中的车辆碰撞问题以及航空飞行器遭遇鸟撞等领域亦有重要的参考价值。     

Internal wave generation by a fountain in a stratified fluid

The purpose of the study is the direct numerical and theoretical modeling of fountain dynamics in a fluid with density stratification in the form of a pycnocline. The fountain is formed as a vertical jet penetrates through the pycnocline. In numerical simulation the jet flow is initiated by means of preassigning a boundary condition in the form of an upward-directed laminar flow of a neutral-buoyancy fluid with an axisymmetric Gaussian velocity profile. The calculations show that at a Froude number Fr greater than a certain critical value the flow becomes unstable and the fountain executes self-oscillations accompanied by internal wave generation in the pycnocline. Depending on Fr, two self-oscillation modes can be distinguished. At fairly low Fr the fountain executes circular motion in the horizontal plane, in the vicinity of the center of jet, its shape remaining almost invariant. In this case, internal waves in the form of unwinding spirals are radiated. At fairly high Fr another mode predominates, when the fountain top chaotically “strays” in the vicinity of the center of the jet and, periodically breaking down, generates wave packets propagating toward the periphery of the computation domain. In both cases, the main peak in the frequency spectrum of the internal waves coincides with the fountain top oscillation frequency which monotonically decreases with increase in Fr. In numerical simulation the Fr-dependence of the fountain top oscillation amplitude is in good agreement with that predicted by the theoretical model of the concurrence of the interacting modes in the soft self-excitation regime.     

Coupling Eulerian‐Lagrangian method of air‐particle two‐phase flow with population balance equations to simulate the evolution of vehicle exhaust plume

In this paper, we present a new numerical scheme to describe the dynamic evolution of multiphase polydisperse systems in terms of time, space, and properties by coupling the Eulerian‐Lagrangian method for air‐particle two‐phase flow and population balance equations to describe particle property evolution due to microbehaviors (eg, aggregation, breakage, and growth). This coupling scheme was used to comprehensively simulate the two‐phase flow structure, particle size spectrum, particle number, and volume concentrations. These were characterized by a high‐resolution particle tracking using the Lagrangian approach and the high precision of moments of the particle size spectrum by solving the population balance equation with the quadrature method of moments. The algorithm of the coupling scheme was incorporated into the open source computational fluid dynamics software OpenFOAM to simulate the dynamic evolution of vehicle exhaust plume. The impacts of vehicle velocity, exhaust temperature, and aggregation efficiency on the distribution of auto exhaust particles in space and changes in their properties were analyzed. The results indicate that the particle number concentration, volume concentration, and average diameter of particles in the vehicle exhaust plume could be strongly affected by the plume structure and flow properties.     

置换通风的数值模拟

首先介绍了用于数值模拟置换通风室内空气分布的N点风口模型、新零方程湍流模型，以简化和加快实际工程中对置换通风的模拟计算。然后利用这些模型对某办公室置换通风的室内温度场和速度场进行了模拟，并和实验数据进行对比。结果表明，计算所得速度和温度分布与实测值吻合得很好，所用的风口模型和湍流模型能将置换通风的温度分层特性和速度场合理地模拟出来，可用于指导和优化置换通风气流组织设计。     

Internal wave radiation by a turbulent fountain in a stratified fluid

Large eddy simulation is applied to model a fountain in a density-stratified fluid. The fountain is formed, as a vertical turbulent jet penetrates through a pycnocline. The jet flow is initiated by the formulation of a boundary condition in the form of an upward neutral-buoyancy fluid flow with the Gaussian axisymmetric mean-velocity profile and a given fluctuation level. It is shown that at a Froude number Fr higher than a certain critical value the fountain executes self-oscillations accompanied by internal wave generation within the pycnocline. The predominant self-oscillation mode is axisymmetric, when the fountain top periodically breaks down generating internal wave packets traveling toward the periphery of the computation domain. The characteristic frequency of the internal waves coincides with that of the fountain top oscillations and monotonically decreases with increase in Fr. The Fr-dependence of the fountain top oscillation amplitude obtained in the numerical solution is in good agreement with the predictions of the theoretical Landau model for the instability mode in the soft self-excitation regime.     

非光滑多体系统动力学数值算法的研究进展

非光滑多体系统动力学数值计算方法是多体系统动力学研究的重要内容之一. 本文介绍了近年来含摩擦与碰撞的非光滑多体系统动力学数值算法方面的研究进展. 首先, 讨论了库仑摩擦模型和修正的库仑摩擦模型, 以及具有单边和双边约束的多体系统中法向约束力的特点. 其次, 回顾了基于连续模型和非连续模型的多体系统动力学方程的数值计算方法, 详细介绍了基于互补概念的非光滑多体系统动力学的事件驱动法和时间步进法, 分析比较了相关的数值算法. 最后, 指出了一些需要进一步研究的问题.     

A numerical scheme for Euler–Lagrange simulation of bubbly flows in complex systems

An Eulerian–Lagrangian approach is developed for the simulation of turbulent bubbly flows in complex systems. The liquid phase is treated as a continuum and the Navier–Stokes equations are solved in an unstructured grid, finite volume framework for turbulent flows. The dynamics of the disperse phase is modeled in a Lagrangian frame and includes models for the motion of each individual bubble, bubble size variations due to the local pressure changes, and interactions among the bubbles and with boundaries. The bubble growth/collapse is modeled by the Rayleigh–Plesset (RP) equation. Three modeling approaches are considered: (a) one‐way coupling, where the influence of the bubble on the fluid flow is neglected, (b) two‐way coupling, where the momentum‐exchange between the fluid and the bubbles is modeled, and (c) volumetric coupling, where the volumetric displacement of the fluid by the bubble motion and the momentum‐exchange are modeled. A novel adaptive time‐stepping scheme based on stability‐analysis of the non‐linear bubble dynamics equations is developed. The numerical approach is verified for various single bubble test cases to show second‐order accuracy. Interactions of multiple bubbles with vortical flows are simulated to study the effectiveness of the volumetric coupling approach in predicting the flow features observed experimentally. Finally, the numerical approach is used to perform a large‐eddy simulation in two configurations: (i) flow over a cavity to predict small‐scale cavitation and inception and (ii) a rising dense bubble plume in a stationary water column. The results show good predictive capability of the numerical algorithm in capturing complex flow features. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.      

聚合物分子模型的Brown动力学模拟

介绍了研究聚合物分子模拟流变性质的Brown动力学模拟方法,综述了有关这方面的研究工作．在通常情况下,将分子模型的数值模拟与求解流动守恒方程的数值解法相结合,便有可能用分子模型去代替连续介质力学的本构方程,来模拟聚合物流体的复杂流动．本文介绍了这一方法的产生背景、最新进展以及优点．      

入水冲击问题研究的现状与进展

无论在理论分析还是数值模拟方面,入水冲击和砰击都是比较复杂的瞬态物理问题。按照时间历程分三个阶段综述了入水冲击理论、试验和数值仿真的发展概况,阐述了入水冲击和砰击现象现阶段研究的内容和热点,特别针对数值建模技术发展的研究状况进行重点叙述。为航天和航海领域进一步开展入水研究提供参考。