激光加热金属板流固耦合数值模拟

数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下,气流的冷却效应占主导地位;当气流速度和激光功率上升到一定程度后,气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。     

激光加热金属板流固耦合数值模拟

 数值模拟研究了气流和激光辐照双重作用下的金属平板温度场。流体控制方程为3维雷诺平均N-S方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用动网格模型模拟气流的“冲刷效应”,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到金属平板的温度分布及流场分布。结果表明:在较低气流速度及激光功率下,气流的冷却效应占主导地位;当气流速度和激光功率上升到一定程度后,气流的“冲刷效应”和冷却效应共同决定金属平板的温度分布。     

CFD/CSD耦合飞行器多学科优化设计新方法

文章以飞行器巡航外形为设计对象, 构建了一种新的飞行器的气动和结构特性评估方法, 即结构模型反迭代方法.该方法较传统的松耦合静气动弹性方法效率提高了4倍以上.以此为基础建立了一种新的飞行器气动/结构耦合多学科优化设计框架, 将优化效率提高4倍以上.采用数值求解N-S方程和结构有限元方程方法作为气动和结构学科的分析工具, 保证了设计结果的可信性.算例表明以巡航外形作为设计对象能够获得与传统方法一致的飞行器气动与结构特性, 以此为基础开展的无人机气动外形优化设计也获得了良好的设计结果.      

基于浸入式边界的流固耦合的非定常数值模拟研究

本文针对工程中关心的流固耦合以及复杂边界物体绕流问题,采用算子分裂的方法求解二维不可压N-S方程,采用完全正交的矩形网格,用浸入式边界模拟静止和运动物体的边界.使用这种方法,本文分别对低雷诺数下的光滑平板绕流,圆柱绕流,低KC数下的振荡圆柱进行了数值模拟.计算结果与以往的数值和试验结果吻合得很好,证明了浸入式边界方法和所发展的程序的可靠性.     

2.5MW风力机叶片流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD软件NUMECA与CSD软件ABAQUS,对不同风速下2.5 MW风力机DF90风轮叶片进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了叶片型变与流场的相互作用对叶片气动特性、结构特性的影响。     

液面冲击引起液滴飞溅问题的CIP方法数值模拟

利用自主研发的CIP-ZJU（Constrained Interpolation Profile Method in Zhejiang University）高精度数学模型研究强非线性自由表面流动问题.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器,通过多相流的方式实现固-液-气耦合同步求解,采用平衡格式的VOF（VOF/WLIC：Volume of Fluid/Weighted LineInterface Calculation）自由面捕捉方法改进了原模型,利用浸入边界方法处理运动物体.利用改进的CIP模型开展了不同类型的物体冲击液面引起的液滴飞溅现象的数值模拟,重点分析液滴飞溅过程中的自由液面变形、作用荷载和物体位置等.通过数值结果与实验结果的比较验证模型的可靠性.结果表明：平衡格式的VOF自由面捕捉方法能更精确地重构自由面,本文的数学模型可精确预测强非线性自由表面流动问题.     

不同切变风速下风轮流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD与CSD软件,以2.5 MW风力机DF90风轮为例,进行了切边来流条件下,不同轮毂风速时的全三维流固耦合数值模拟,在确认数值方法的基础上,分析了不同风速、来流垂直剪切对风轮叶片绕流、叶片变形的影响,以及叶片结构与流场的相互作用对叶片气弹特性以及载荷分布的影响规律。     

机翼大攻角下失速颤振的气动弹性研究

本文采用流固耦合的数值方法研究了机翼在0°～50°攻角下的颤振。计算结果表明,随着来流攻角α0的增大,机翼的固有频率对颤振的影响越来越大,颤振由线性的强迫振动逐渐发展成为非线性的自激振动,而当α0增加到一定程度以后,大尺度分离流交替地从机翼头部和尾部产生,机翼和流场会发生共振,引起机翼的失速颤振。     

基于气体动理学方法的高超声速支杆降热模拟

基于气体动理学方法(gas kinetic scheme, GKS)分别从单独流场和流固耦合两方面开展了针对支杆结构热防护系统的数值模拟研究。首先利用二维标准圆管模型验证算法在单独流场计算中的可靠性,然后通过比较不带支杆和带支杆情形下圆管外壁面的气动热特性及相应流场特征,分析得到支杆降热的有效性及其降热机理。接着在将GKS应用到流场/结构温度场耦合模拟并进行验证后,进一步分析流固耦合作用下的支杆降热性能,结果发现支杆的降热效果随着流固耦合时间的推进不断增强,从而有利于高超声速飞行器长时间巡航飞行。     

高速气流作用下激光加热金属平板数值模拟

数值模拟研究了高速气流作用下激光加热金属平板温度场。流体控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程,固体控制方程为能量方程,湍流粘性系数求解使用k-ε两方程模型。采用流固耦合计算方法,使用两相流模型模拟气流对烧蚀物的剥蚀,较完整地模拟了激光辐照金属材料的物理变化过程,计算得到了不同气流速度下金属平板的温度分布以及烧蚀形貌。分别使用两相流方法和动网格方法对高速气流作用下激光对金属板的烧蚀效应进行了计算,结果表明,两相流方法与动网格方法都能较好地模拟高速气流作用下激光加热金属平板的温度响应,由于两相流方法能够较全面地模拟对流换热、熔化与凝固过程以及金属液体在气流冲刷下的动力学过程,因此能获得比动网格方法更为合理的物理图像。     

子母弹多体分离过程的非定常CFD/RBD数值仿真

为研究子母弹在抛撒时的干扰流场特性,选取多舱段子母弹为计算模型,基于课题组自主开发的非结构混合网格Reynolds平均Navier-Stokes方程求解程序HUNS3D,结合非结构嵌套网格技术,耦合六自由度刚体运动学方程,使用了改进的4阶Adams预估-校正法求解六自由度刚体运动方程.利用跨声速下典型外挂物分离作为验证算例,仿真结果与实验结果高度拟合,验证了求解器的精度.对锁定母弹自由度和释放母弹的自由度两种计算状态进行数值模拟.仿真结果表明:由于激波干涉作用,子弹与母弹之间有较强的耦合作用;释放母弹自由度后,子弹的气动力参数发生了较大变化.      

CFD在高速飞行器热气弹问题中的应用

采用气动力/热/结构耦合的方法对高速细长体飞行器结构热静气动弹性问题进行了研究.为保证耦合计算精度，达到准确预测热气动弹性特性的能力，气动力和气动热计算采用CFD数值模拟方法，热应力和热变形计算采用有限元方法并通过热考核试验验证.以该简单细长体飞行器模型为研究对象，对其热静气动弹性特性进行了计算与分析，计算结果表明:CFD/CSD耦合可准确模拟热气弹问题，且气动加热造成结构温升不均衡是结构变形的主导因素，力热耦合静气弹变形与单纯受力分析变形形式不同，对飞行器气动特性影响规律不同.准确预测飞行器热气动弹性特性对飞行器结构设计十分必要.      

裂缝性应力敏感油藏流固耦合的数值模拟

以裂缝各向异性全张量渗透率动态耦合渗流模型为基础,建立三维三相裂缝各向异性特低渗透油藏流固耦合数学模型,并运用模块化显示耦合迭代求解建立流固耦合渗流数值模拟方法,编制耦合求解程序.研究表明:对于裂缝性油藏,随着油藏开采过程中压力的变化,岩石变形和储层介质的各向异性应变特性使开发过程中多组裂缝的变形程度不同,引起裂缝渗透率的非线性变化,进而使油藏裂缝渗透率张量主值发生旋转,改变液流方向、影响油藏开发效果.     

振动桥梁CFD数值模拟的网格运动算法

针对非流线型桥梁断面模型,采用Delaunay背景网格方法、棱边弹簧及线性弹簧网格方法,研究非结构网格与结构网格条件下,计算域网格运动的特点及算法优劣.研究表明,在正常的桥梁断面振动振幅内,三种网格运动方法均能保持网格变形时不会失效,其中Delaunay背景网格方法耗时最少,线性弹簧网格方法获得网格质量最高;在大振幅状态下,结构化网格容易失效,线性弹簧网格方法可最大限度保证网格有效.     

基于SPH方法的瞬态粘弹性流体的数值模拟

运用SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法模拟基于Oldroyd-B模型的平面突然起动Couette流,通过数值解与解析解的比较,验证SPH方法模拟瞬态粘弹性流动的准确性;且对基于Oldroyd-B模型的方腔驱动流进行SPH模拟.采用一种新的固壁边界处理方法,有效地防止了粒子穿透,提高数值计算的准确性.用数值算例验证SPH方法对粘弹性流体模拟的有效性和稳定性.     

非定常欠膨胀射流的正格式数值模拟

 采用二阶正格式方法对非定常欠膨胀射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法推广到轴对称Euler方程组的求解,并对不同马赫数下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好地捕捉到包含膨胀波、入射激波、反射激波、马赫盘、射流边界以及三波点等复杂射流流场的波系结构,与实验照片反映的流动特征以及已有的数值结果相吻合。表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在激波阵面上不会出现数值振荡。     

基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真

针对传统CFD数值计算方法难以实现风力机动态旋转及其旋转状态下的流固耦合计算,本文结合格子玻尔兹曼(LBM)方法易于处理动态复杂边界的特点及大涡模拟(LES)方法在非稳态涡流结构捕捉上的优势,采用LBM-LES联合方法进行三维风力发电机整机气动性能及尾流结构仿真研究,同时采用尺度自适应方法对尾涡结构进行跟踪和精细化计算。针对NREL PhaseⅥ型试验机进行模拟,得到了与实验结果吻合的流动形态及尾流结构演变规律,分析了尾流区速度演变规律并对比了不同亚格子湍流模型对计算结果的影响.     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。