多孔翼型流场的数值模拟研究

空化和空蚀是影响水力机械能否安全、经济运行的主要因素之一.为了研究新的翼型结构——多孔翼型对于水力机械的空化及空蚀现象的影响,利用PROE建立具有不同微孔数的翼型模型,再借助Fluent软件对多孔翼型的三维绕流流场进行了定常数值模拟计算.基于伯努利定律,对具有不同孔数的翼型绕流流场进行流态分析.根据模拟结果显示的不同翼型结构的速度场和压力场的分布特征,从能量转换的角度出发,揭示了多孔翼型绕流流场的内在特性,即绕流翼型的流场(速度场、压力场)是随着孔数而变化的.结合空化发生的条件,说明采用多孔翼型结构对改善水力机械内部空化现象是有一定的作用的,通过数值模拟方法来分析研究水力机械内部的空化空蚀现象,可以作为实验与理论分析的参考.从一个新的角度,为改善水力机械的空化和空蚀现象提供了新思路.     

翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k-ε湍流模式,自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件,对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟.计算结果与实验数据的对比表明,空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近,验证了计算结果的可靠性.空泡在大约一个周期的2/3时间段内成长,并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落.这两个特征时间与高速摄像实验结果一致.所取工况对应的组合参数σ/2α=2.865,以翼弦长计算可得St=0.217,与文献的最新试验结果吻合.空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡,时均值C<,1>=0.41,C<,d>=0.097,振荡频率与空泡脱落频率一致.对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析,结果表明在大攻角条件下,空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展,沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因,回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演化过程存在密切的联系,探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理.     

折算频率对翼型动态升力特性影响的初步研究

本文根据在西北工业大学翼型研究中心（ＣＡＤＲ）进行的ＮＡＣＡ００１２翼型动态特性研究,着重介绍测力法研究中,滤波器截止频率和动态特性研究中最重要的相似准则折算频率影响的研究结果．结果表明,对动态特性研究而言,恰当的滤波器截止频率是获得正确结果的必要条件,在此基础上,通过改变折算频率,得出它对升力特性影响的可信结果．     

风力机翼型动态失速等离子体流动控制数值研究

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术,开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理.结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积.压力分布在等离子体施加范围内出现了负压\"凸起\",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益.翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动,抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着,涡流影响范围减小;浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力,诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混.等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面\"涡簇\",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.     

基于SDES方法的翼型动态失速数值模拟研究

动态失速是航空航天领域中一种普遍存在的流动现象,因气动特性很难预测,对飞行器的性能和飞行安全有着严重影响.为了对机翼动态失速过程中的复杂分离流动进行准确模拟,应用屏蔽分离涡模拟(shielded detached eddy simulation,SDES)方法对NACA 0012翼型的动态失速进行了数值模拟,并与延迟分离涡模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)方法进行对比研究.首先验证基于静态翼型的CFD(computational fluid dynamics)模型准确性,随后对动态失速获得的升阻力系数和实验数据进行比较评估,同时分析和量化了动态失速的特征现象,并对动态失速的几个典型阶段进行研究.计算表明:对于静态翼型的分离流动,SDES、DDES方法计算结果相差不大;对于具有强烈流动非定常性的动态失速问题,SDES方法体现了较高的预测准确度,能精细的描述流场及漩涡结构并准确地捕捉到动态失速下复杂流动现象,表现出良好的对于复杂分离流动精确模拟的能力,这对于新型RANS/LES混合方法的应用以及研究翼型绕流机理及相关问题有重要意义.     

基于SDES方法的翼型动态失速数值模拟研究

动态失速是航空航天领域中一种普遍存在的流动现象,因气动特性很难预测,对飞行器的性能和飞行安全有着严重影响。为了对机翼动态失速过程中的复杂分离流动进行准确模拟,应用屏蔽分离涡模拟(shielded detached eddy simulation, SDES)方法对NACA 0012翼型的动态失速进行了数值模拟,并与延迟分离涡模拟(delayed detached eddy simulation, DDES)方法进行对比研究。首先验证基于静态翼型的CFD (computational fluid dynamics)模型准确性,随后对动态失速获得的升阻力系数和实验数据进行比较评估,同时分析和量化了动态失速的特征现象,并对动态失速的几个典型阶段进行研究。计算表明：对于静态翼型的分离流动,SDES、DDES方法计算结果相差不大;对于具有强烈流动非定常性的动态失速问题,SDES方法体现了较高的预测准确度,能精细的描述流场及漩涡结构并准确地捕捉到动态失速下复杂流动现象,表现出良好的对于复杂分离流动精确模拟的能力,这对于新型RANS/LES混合方法的应用以及研究翼型绕流机理及相关问题有重要意义。     

虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术

随着计算机科学和计算流体力学的发展, 以非定常数值模拟为核心, 开展气动/运动/控制等多学科耦合的“数值虚拟飞行” 模拟成为可能. 数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与控制性能. 该文综述了国内外数值虚拟飞行中“气动/运动/控制” 耦合的一体化模拟技术的研究进展, 分析了其中的关键科学和技术问题, 重点介绍了气动/运动/控制耦合一体化计算方法, 并介绍了作者在一体化耦合计算方法方面取得的进展及初步应用情况. 最后探讨了数值虚拟飞行中的一些挑战性问题, 并对未来发展趋势进行了展望. 可以预期, 随着E 级计算的到来, 在不久的将来, 数值虚拟飞行将给新型飞行器设计带来革命性的变化.      

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

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。     

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.     

涡轮增压器离心压气机非稳态工况流场分析

利用商用 CFD 软件对一小型车用离心压气机建立了数值模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比:稳态的设计转速最高压比相差不超过 0.5%,最高效率相差不超过1.5%;非稳态模拟和实验得到的失速频率均为 3000Hz,模拟结果真实可信.主要利用设计转速下小流量工况时的非稳态数值模拟结果对喘振发生前离心压气机各部件的非稳态流动特点进行了详尽阐述.研究结果表明:小流量工况时离心压气机各部件均出现非稳态流动现象,这种非稳态效应在各部件中表现出不同的特点,且随着流量的减小这种非稳态效应会不断加剧.     

Numerical simulation of viscous flows with free surface around realistic hull forms with transom

This paper describes a method for simulation of viscous flows with a free surface around realistic hull forms with a transom, which has been developed based on a FINFLO RANS solver with a moving mesh. A dry‐transom model is proposed and implemented for the treatment of flows off the transom. The bulk RANS flow with the artificial compressibility is solved by a cell‐centred finite volume multigrid scheme and the free surface deformed by wave motions is tracked by satisfying the kinematic and dynamic free‐surface boundary conditions on the actual location of the surface. The effects of turbulence on flows are evaluated with the Baldwin–Lomax turbulence model without a wall function. A test case is modern container ship model with a transom, the Hamburg Test Case. The calculated results are validated and they agree well with the measured results in terms of the free‐surface waves and the total resistance coefficient. Furthermore, the numerical solutions successfully captured many important features of the complicated interaction of the free surface with viscous flows around transom stern ships. In addition, the convergence performance and the grid refinement studies are also investigated. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical simulation of the unsteady flow over an elliptic cylinder at different orientations

A numerical method is developed for investigating the two‐dimensional unsteady viscous flow over an inclined elliptic cylinder placed in a uniform stream of infinite extent. The direction of the free stream is normal to the cylinder axis and the flow field unsteadiness arises from two effects, the first is due to the flow field development following the start of the motion and the second is due to vortex shedding in the wake region. The time‐dependent flow is governed by the full conservation equations of mass and momentum with no boundary layer approximations. The parameters involved are the cylinder axis ratio, Reynolds number and the angle of attack. The investigation covers a Reynolds number range up to 5000. The minor–major axis ratio of the elliptic cylinder ranges between 0.5 and 0.6, and the angle of attack ranges between 0° and 90°. A series truncation method based on Fourier series is used to reduce the governing Navier–Stokes equations to two coupled infinite sets of second‐order differential equations. These equations are approximated by retaining only a finite number of terms and are then solved by approximating the derivatives using central differences. The results reveal an unusual phenomenon of negative lift occurring shortly after the start of motion. Various comparisons are made with previous theoretical and experimental results, including flow visualizations, to validate the solution methodology. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Numerical simulation of a flow around an impulsively started radially deforming circular cylinder

The development of a two‐dimensional viscous incompressible flow generated by a deformable circular cylinder impulsively started into rectilinear motion is studied numerically for the Reynolds numbers equal to 550 and 3000. The vorticity transport equation is solved by a second‐order finite difference method in both directions of the domains. The Poisson equation for the streamfunction is solved by a Fourier–Galerkin method in the direction of the flow that is assumed to remain symmetrical and a second‐order finite difference for the radial direction. The advance in time is achieved by a second‐order Adams–Bashforth scheme. The computed results are compared qualitatively with experimental and numerical results done before in the particular non‐deformable case. The comparison is found to be satisfactory. The influence of the deformation of the cylinder on the flow structure and the drag coefficient is then analyzed. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

含污染物的弱弯曲明渠弯道湍流数值模拟

建立了可模拟弯道中含污染物湍流的三维部分抛物型代数应力模型。针对左右两岸分别泄放污染物的环流非充分发展弯道流进行了计算。分析了水流结构及污染物浓度分布的特点。     

半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

将Yakhot和Orszag提出的RNGk-ε模型推广应用于半封闭狭缝冲击射流场的数值模拟，以评价该模型对这种复杂湍流的预测能力。将计算得到的流场平均速度分布、湍流强度分布和流函数分布与标准k—ε模型的预测结果以及相应的实验数据进行了比较，结果表明：RNGk—ε模型的预测结果总体上要好于标准k—ε模型，但与实验值相比，所有预测结果都还存在不同程度的误差，尤其是近壁区和滞止点较远下游处的湍流强度分布。说明RNG模型虽然已在某些湍流的预测中取得了一定的成功，但要定量准确地预测冲击射流场，还必须针对其流动特征对模型加以改进。     

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。