机动弹头高超声速流场数值模拟及拓扑结构分析

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似Navier Stokes方程 ,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格。最后给出带控制舵机动弹头在M∞ =7.3,α=2 0 0 下的计算结果 ,并通过对表面极限流线和垂直于体轴的横截面流线的分析给出了流场的拓扑结构     

机动弹头高超声速粘性绕流数值模拟

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似NaVierStokes方程,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格.最后给出了机动弹头在M∞=7.3,α=20°下的流场计算结果.计算结果表明本文所采用的计算网格及计算方法可以适用于高超声速复杂流场的数值模拟.     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上，构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式，解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难，并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算，表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

N-S方程在非结构网格下的求解

在Ｒｏｅ的矢通量差分分裂的基础上，吸收了ＮＮＤ格式的优点，提出了一种非结构网格下求解Ｅｕｌｅｒ方程和Ｎ－Ｓ方程的高分辨率高精度迎风格式．这种格式具有捕捉强激波和滑移线的良好性能．在时间方向上采用了显式和隐式两种解法．文中还给出了自适应技术．最后，成功地完成了ＧＡＭＭ超音速前台阶绕流、二维平板无粘激波反射、三维Ｈｏｂｓｏｎ叶栅流动、ＶＫＩ叶栅流动、Ｃ３Ｘ叶栅流动的数值模拟，得到了满意的结果     

钝头体高超声速绕流底部失稳特征数值模拟

利用数值模拟方法对高超声速钝锥及Apollo返回舱底部尾迹流场进行了研究, 分析尾迹流动的失稳过程. 对钝锥模型, 在M_∞=6, Re=1.71× 10⁶(Re以球头半径为参考长度)条件下观察到了底部流动的不稳定性. 不添加任何扰动, 数值模拟首先得到的流动是稳定解, 在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区, 流动是轴对称状态. 继续进行计算, 发现二次分离线率先变形, 底部流场发展出非定常周期流动. 对Apollo返回舱模型, 在相同条件下 (Re以前面圆弧半径为参考长度), 数值模拟首先得到的流动同样是稳定解, 出现以二次分离线率先变形为起始的结构失稳, 演化出周期性过程, 但持续时间较短, 很快出现了非周期非对称状态. 研究表明, 高超声速钝锥及Apollo返回舱底部流场均存在不稳定性问题, Apollo返回舱的底部流场更加不稳定.     

钝锥三维粘性绕流背风面分离的数值模拟

本文将作者在文献[1]中提出的方法推广应用于求解三维可压缩 N-S 方程和简化 N-S 方程,并对近似因式分解法应用于三维问题的稳定性进行了分析。指出,对二维问题原无条件稳定的格式,经近似因式分解后仍是无条件稳定的;对于三维问题,原无条件稳定的格式经普通近似因式分解后所得到的格式可能是不稳定的或条件稳定的。利用系数矩阵分裂法所得到的近似因式分解格式可仍是无条件稳定的,只要适当加大分裂后的系数反差即可。 文中给出了钝锥超音速三维粘性绕流结果。得到了背风面分离的流动图像,物面压力值与实验值吻合。     

基于虚拟边界的平面流场拓扑分析

拓扑分析是了解流场结构的重要途径。鉴于传统平面流场拓扑特征提取算法的不足,本文提出了一种新的拓扑分析方法。该方法首先通过边界矢量镜像处理,建立一个带虚拟边界的扩展流场;然后针对扩展流场,按照临界点理论提取拓扑特征。最后,根据流场的实际定义域,对拓扑特征进行裁剪,得到最终的流场拓扑。由于虚拟边界的引入,本文方法能够按照封闭式分界线的检测方式,检测开放式分界线和极限环。此外,本文方法无需任何修改即可用于局部拓扑分析,局部分析结果与全局结果基本一致。测试结果表明,本文方法简化了拓扑特征提取过程,提高了拓扑分析性能。     

非结构混合网格化学非平衡粘性绕流数值模拟

在非结构混合网格上对化学非平衡粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为考虑了化学非平衡效应的二维Navier-Stokes方程,化学动力学模型为7组元、7反应模型。控制方程中的对流项采用VanLeer逆风分裂格式处理,并应用MUSCL方法及Minmod限制器扩展到二阶精度,粘性项用中心差分格式处理。时间推进采用显式5步龙格-库塔方法。为了适应高超声速流场计算,对VanLeer通量分裂方法进行了改进,并引入了化学反应时间步长。对RAMC-II模型的飞行试验流场进行了数值模拟,计算结果与试验测量数据符合较好,并与参考文献中的数值模拟结果吻合。     

高超声速三维化学非平衡流动N－S方程数值解

详细地叙述了模拟三维高超声速电离空气化学非平衡粘性流全流场（前体和底部近尾迹）的数值方法，化学反应粘性流求解是基于带有化学源项的Ｎ－Ｓ方程的守恒形式，总的连续方程由组元守恒方程组所代替．对于高温电离空气流动，存在如下７个主要组元，它们依次为Ｎ＿２，Ｏ＿２，ＮＯ，ＮＯ￣＋，Ｎ，Ｏ和ｅ￣－．研究发展了求解完全耦合的，与时间相关的偏微分方程组的数值方法．利用一类新的迎风ＴＶＤ激波捕捉有限差分格式求解守恒形式的控制方程组，对高超声速层流有攻角钝锥体绕流流场，在非催化壁条件下、对包括底部近尾迹在内的全流场各参数，如组元浓度，电子密度和温度，以及物面压力分布和热流率分布得出了计算结果．对化学反应气体和完全气体模型的计算结果进行了比较，计算的流场电子密度与飞行实验结果符合很好．     

Construction of third-order WNND scheme and its application in complex flow

IntroductionWiththedevelopmentofaeronauticsandaerospacetechnology ,moreandmorerequirementsarearisingforCFD (computationalfluiddynamics) .Oneoftheproblemsistodevelophigherorderaccuracyschemes.Forexample ,whenapplyingLES (largeeddysimulation)orDNS(directnumericalsimulation)methodtosimulatingturbulenceproblem ,theschemesneedthirdorderaccuracyormoreinspace .Anotherquestionistheinfluenceofgrid’sscaletotopologicalstructureofflowfield .Inordertosimulatecomplicatedflowswithseparationorturbulencec…     

绕Apollo飞船的高超声速化学非平衡流动的数值模拟

利用混合通量分裂方法，建立了很方便求解的隐式ＮＮＤ格式，求解了完全气体和化学非平衡空气绕Ａｐｏｌｌｏ飞船的流动，计算结果和实验值作了比较，应用拓扑分析方法，研究了背风区和尾迹内的流动结构。     

桁架结构拓扑优化设计的线性规划方法

本文提出了一种新的桁架结构拓扑优化设计方法,在该方法中,以杆件内力为设计变量,以由结构力学的基本方程构成的位移、应力等物理量为约束,构成了拓扑优化的线性规划模型。它克服了目前桁架结构拓扑优化的两大困难——预定设计位移场与在拓扑优化过程中无法考虑位移、应力等性态约束。文章最后给出了两个考题,说明了本方法的可行性与有效性。     

A Method for Topological Optimization of Structures with Discrete Variables under Dynamic Stress and Displacement Constraints

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｂａｓｉｃｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｅｔｈｏｄ .Ａｓｅｔｏｆｎｏｄｅｓｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｇｉｖｅｎｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ,ｌｏａｄｃａｓｅｓａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｎｏｄｅｓａｒｅｌｉｎｋｅｄｂｙｍｅｍｂｅｒｓｔｏｆｏｒｍｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｇｒｏｕｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ .Ａｌｌｔｏｐｏｌｏ…     

附加黏滞阻尼器减震结构基于性能的抗震设计方法

本文以位移设计方法的概念为主,结合能力谱法提出附加黏滞流体阻尼器结构基于位移的初步设计方法.首先讨论了减震结构基于性能设计方法的实现途径并加以比较;其次定量研究了使用加速度反应谱转换为位移反应谱的条件,分析指出真实位移反应谱(均值)与转换得到的位移反应谱随着场地特征周期的增大,两者之间的差值逐渐增大;在场地条件相同的情况下,阻尼比越大两者的差异也越大.最后结合我国抗震设计规范,给出了主体结构保持弹性状态时,非迭代法确定附加黏滞流体阻尼器的减震结构设计流程.非线性时程分析结果表明该设计方法实用、有效.     

一种结构动力响应分析的快速高阶算法

为了提高基于高阶格式的结构动力响应微分求积分析方法的计算效率,发展了一种求解动力方程的快速算法.利用微分求积原理将结构动力方程转化为标准Sylvester方程的形式,通过对系数矩阵进行矩阵分解,进而将动力响应Sylvester方程化为一系列标准线性方程组,采用相关成熟算法求解这些线性方程组后即可获得结构动力时程响应的全部解答.结构动力响应微分求积分析方法为高阶数值方法,一步计算可以获得多个时点处的动力响应.基于本文快速算法,不必直接对矩阵方程进行求解.数值算例表明,本文快速算法能够准确地计算出结构动力响应,具有数值精度高、收敛性好的优点.     

An Accurate Finite Difference Scheme for Boussinesq Equations

In this paper, a stable and accurate finite difference scheme using a space-staggered grid is proposed for solving the extended Boussinesq-type equations as derived by Nwogu [Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 119, (1993) 618–638]. The alternate direction iterative method combined with an efficient predictor–corrector scheme is adopted for the numerical solution of the governing differential equations. The proposed method is verified by two test cases where experimental data are available for comparison. The first case is wave focusing by bottom topography as studied by Whalin [The limit of applicability of linear wave refraction theory in a convergence zone. Res. Rep. H-71-3, U.S.Army Corps of Engrs. Waterways Expt. Station, Vicksburg (1971)]. The second case is wave runup around a circular cylinder as investigated experimentally by Isaacson (Journal of the Waterway, Port, Coastal and Ocean Division, ASCE, 104, (1978), 69–79). Numerical results agree very well with the corresponding experimental data in both cases.     

Modified Galerkin Method for Unsteady Two-Dimensional Viscous Fluid Flow Analysis

The Modified Galerkin Method (MGM) has been proposed as one of the most efficient methods for two-dimensional convection-diffusion equations. In the MGM, the non-symmetric matrices, which are derived from the convection term in the Galerkin formulation, are not used, and an artificial diffusion is introduced through an error analysis approach to improve its discretization accuracy in both time and space directions. In this study, the MGM is applied for two-dimensional viscous fluid flow analysis, and the driven cavity flow problems are solved up to Reynolds number of 10,000 using the vorticity-stream function formulation and non-uniform meshes. The results show the effectiveness of MGM.