导弹多喷口侧向喷流流动数值模拟

针对典型导弹外形,通过求解三维Navier-Stoke方程开展了多喷口喷流与超声速来流的复杂干扰流动数值模拟,研究了来流马赫数、来流攻角、喷口数量及位置、喷流压力比对流场结构和弹体表面流动的影响.结果表明,相邻喷口间会产生明显的干扰,来流马赫数、攻角、喷口数量及位置和喷流压力都会对喷流与主流之间的干扰以及导弹表面流动产生明显影响,且在沿流向布置的多喷口中,最上游喷口决定了喷口前的流场结构.     

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．     

二维振荡叶栅非定常粘性流动数值模拟

采用显式四步Runge-Kutta格式，结合Baldwon-Lomax紊流模型求解Navier-Stokes方程，借助运动网格技术，完成了对二维振荡叶栅非定常粘性流动的数值模拟。为了加速求解过程，引入了变系数隐式残差光顺方法，取得了较好效果。数值结果与已公布的数据有很好的一致性。     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

微差爆破震动叠加起始位置数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA3D程序对岩体中双孔微差爆破近源场爆破振动进行了模拟。结果表明,随着离爆源距离的增加,质点振动波形的持续时间变长,同时二炮孔爆破振动波形中质点处于静止状态的间隔变小并产生叠加。因此通过数值模拟可确定微差爆破近区振动叠加起始位置。     

加权基本无振荡格式研究进展

加权型基本无振荡WENO格式是近十年发展起来的一类高阶、高精度格式,它是在ENO格式的基础上采用加权思想构造的,对流场内的间断和细致结构具有较高的分辨率,适于求解包含激波、膨胀波以及接触间断等复杂结构的流场,目前已发展成为计算流体力学中一种重要的方法.本文针对加权型基本无振荡格式近年来的进展作一简要介绍.     

高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段, 研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究, 并给出了喷流干扰流场的典型结构, 而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏. 本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流, 基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究, 采用高速纹影成像及图像处理技术, 获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律. 相比于无喷流条件形成的流场, 横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂, 喷流压力由于受到稀薄来流的扰动, 斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部. 喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽, 位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变, 而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动, 当喷流压力过低时, 桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点. 高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽, 弓形激波同样也会向上游移动, 但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.     

带控制片方柱绕流的非定常数值模拟

对高雷诺数下带控制片的方体(在方柱之前放置一小尺度的柱形薄片)非定常绕流进行了数值模拟。数值模拟方法采用RNG重整化群紊流模型，SIMPLE算法，在非定常计算中引入双重时间步方法，将方体和控制片区域作为求解域的一部分作整体求解。结果表明，控制片与方柱之间距离的不同，使得控制片所形成的涡被抑止或产生卡门涡街，从而对柱体侧面边界层的分离发生影响，产生三种典型的流态，柱体时均阻力系数相对于无控制片的情况迅速减小，当控制片偏离柱体轴心时，柱体升力系数迅速增大，偏心至柱体外壁面附近达到极大值。阻力系数达到最小值后将产生跳跃式的增大，而升力系数在达到最大值后也将产生跳跃式的减小。     

一维溃坝洪水波的高精度数值模拟

将ENO(Essentially Non-Oscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于一维Saint-Venant方程组的求解,数值模拟溃坝洪水,得出了水位和流速的沿程分布.经与理论解比较可见,数值解在间断波附近没有出现数值振荡,水位和流速大小均符合较好,表明ENO格式是一类新的高精度无振荡差分格式,采用ENO格式所建立的高分辨率模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程.     

用基于M-SST模型的DES数值模拟喷流流场

脱体涡数值模拟方法(dettached eddy simulation, DES)是把雷诺平均 Navier-Stokes方程(RANS)方法及大涡模拟方法(LES)结合起来模拟有脱体涡的湍流流场的数值模拟方法. 其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier-Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法. 本文在剪切应力传输(SST)湍流模型的基础上用DES及混合非结构网格数值模拟具有横向喷流的湍流流场,算法采用Osher逆风格式. 利用该套程序(包括网格生成及算法),对导弹在不同马赫数下的喷流流场进行了数值模拟,并与同时开展的实验研究的结果进行了对比. 结果表明用该方法处理这类问题是较准确的.     

爆炸与冲击问题的大规模高精度计算

爆炸与冲击问题的数值模拟在国防和民用安全领域具有重要的工程实用价值.由于爆炸与冲击问题是一个多物质在高应变率、高温及高压条件下的强非线性的瞬态动力学问题,给数值模拟带来了很多的困难,为此,针对爆炸与冲击问题数值模拟中的一些关键和难点问题开展了研究.提出了三维非线性双曲守恒系统的伪弧长自适应网格算法,分析了算法的实现过程,数值结果表明该算法有效地提高了冲击波强间断处的分辨率.发展了针对气相爆轰数值模拟的附加龙格-库塔方法,对非线性对流项进行显示计算,化学反应源项进行半隐式计算,有效地解决了源项引起的刚性问题,计算结果表明该算法可以准确地捕捉和描述爆轰波的复杂结构和典型特征.针对三维工程实际物理问题中的大规模计算需求,给出了三维多物质流体动力学欧拉数值方法的并行化方法,开发了三维爆炸与冲击问题并行计算程序,并给出了针对该并行程序的测试方法.上述工作有利地解决了爆炸与冲击问题大规模、高精度计算中的一些难题.最后,开展了大口径聚能射流侵彻混凝土靶问题的数值模拟和实验研究,通过典型爆炸与冲击工程问题的计算验证了所研究数值方法的有效性.     

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.      

多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场的数值模拟

对多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场进行数值模拟,采用高精度高分辨率的三阶ENN格式以保证对激波的捕捉和对紊流特征的正确模拟,利用LU-SGS隐式解法提高了计算速度,从而构成了一种既准确又高效的多级跨声速轴流压气机紊流流动数值求解系统.重点研究了动静网格的交接方法及相应的动静交接面处理模型.计算了某带进口导叶的三级轴流压气机,计算结果与实验数据吻合较好.     

Influence of a combustion-driven oscillation on global mixing in the flame from a refinery flare

An assessment of the influence of strong combustion-driven oscillations on mixing rates and visible radiation in the flame from a full-scale refinery flare is reported. Importantly, the oscillations were generated naturally, with no external forcing, and at a high Reynolds number of 4 × 10⁶. These conditions differentiate this study from those of previous investigations, which all involved some external forcing and were at a Re too low to ensure fully turbulent flow within the flame. A frame-by-frame analysis of video footage, providing good resolution of the instantaneous edge of each flame, was used to assess flame dimensions, and so to determine a global residence time. Since the flames are in the fast-chemistry regime, the visual imagers can be used to determine a global mixing rate. The analysis reveals a consistent picture that the combustion-driven oscillations do not result in a significant change to the global mixing rate, but do increase the visible radiation. This is in contrast to previous investigations, using externally forced jets, where forcing at the preferred mode has been found to increase mixing rates and reduce radiation.     

FORCED OSCILLATIONS OF BOUNDARY VALUE PROBLEMS OF HIGHER ORDER FUNCTIONAL PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS

ＦＯＲＣＥＤＯＳＣＩＬＬＡＴＩＯＮＳＯＦＢＯＵＮＤＡＲＹＶＡＬＵＥＰＲＯＢＬＥＭＳＯＦＨＩＧＨＥＲＯＲＤＥＲＦＵＮＣＴＩＯＮＡＬＰＡＲＴＩＡＬＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬＥＱＵＡＴＩＯＮＳＪｉｎＭｉｎｇＺｈｏｎｇ（靳明忠）,ＤｏｎｇＹｉｎｇ（董莹）,Ｌｉ...     

7阶WENO-S格式的计算效率研究

WENO-S格式是一类适合于含间断问题数值模拟的加权本质无振荡格式. 这类格式的光滑因子满足对单频波为常数, 这使得其近似色散关系与线性基底格式一致, 并且具有良好的小尺度波动模拟能力．计算效率是数值方法性能指标的一个重要方面. 由于WENO-S格式的光滑因子在各子模板上的计算公式除下标不同外形式一致, 在计算线性对流方程相邻数值通量时, 部分光滑因子完全相同．为此提出一种消除WENO-S格式冗余光滑因子计算的方法. 该方法要求一条网格线上用于重构或插值的量可以表示为一个序列. 基于此要求分析其对于几种不同物理问题的可行性和使用方法. 以7阶WENO-S格式为例介绍了格式性质和去除冗余光滑因子计算的方法. 该方法中预先计算和存储一条网格线上的所有光滑因子, 在网格点较多的情况下, 光滑因子计算次数约为原7阶WENO-S格式的1/4. 对一维对流问题、球面波传播问题、二维旋转问题、二维小扰动传播问题及一维和二维无黏流动问题进行了数值模拟. 结果表明该格式对多种流动结构具有良好的捕捉能力, 并且同时具有良好的计算效率, 去除冗余计算后又降低了约20%的计算时间.     

基于混合型WENO格式数值模拟四类Riemann问题

本文基于三阶WENO格式和三阶WENO-Z格式,利用有限体积法研究了同一格式在不同方向使用不同的求解器,以及在不同方向采用相同精度的不同格式数值模拟4类Riemann问题,分析各向异性对数值计算结果的影响．数值结果表明,无论是使用不同的格式,还是使用不同的求解器进行数值模拟,都会导致数值结果不同程度地失去图像对称性．