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.     

开缝对风力机翼型空气动力学特性的影响

以S809翼型为研究对象,用CFD数值模拟计算的方法研究了在失速条件下,风力机翼型上下表面同时开缝的被动控制策略对翼型空气动力学特性的影响。采用基于速度耦合的SIMPLEC算法进行数值模拟,将四种常用的湍流模型(Spalart-Allmaras、k-e、k-w、k-w-SST)在12°和24°攻角下的计算结果和实验数据对比,得出了最优于翼型计算的湍流模型为k-w-SST。分析了缝隙位置、宽度和斜率对翼型气动性能的影响。结果表明:当开缝位置位于分离点附近时,翼型气动性能最优;当缝隙宽度为弦长的2%时,翼型气动性能最优;当缝隙和弦线的夹角为75°时,翼型气动性能最优,且在攻角超过24°时开缝对翼型的气动性能有不利影响。     

满足几何守恒律的WENO格式及其应用

对几何守恒律的来源进行了分析,发展了一种满足几何守恒律的WENO格式,并应用于翼型层流分离现象的数值模拟中。为消除网格质量影响,采用守恒型方法计算网格导数,并将标准的WENO格式分解为中心差分部分和数值耗散部分。算例计算结果表明,几何守恒律对高精度有限差分WENO格式计算结果具有重要影响,本文方法能够消除网格导数计算误差,保证来流保持性。将本文方法应用于SD7003翼型层流分离现象的数值模拟中,计算结果与文献中计算及试验数据吻合较好,同时能够精细捕捉小尺度流场结构,准确模拟翼型层流分离现象中的复杂流动过程。     

孤立波斜坡堤堤顶及后坡越浪流数值分析

孤立波往往被用来模拟海啸等浅水大波.运用基于RANS方程、VOF方法以及Goring造波方法建立了二维数值波浪水槽,进行了孤立波在简单斜坡堤上越浪过程的数值模拟.通过数值模拟,研究了不同相对堤顶宽及不同相对波高条件下对孤立波越堤流基本特征,包括堤顶前缘水层厚度及速度、堤顶末端水层厚度及速度、堤顶流厚度及速度沿程分布、后坡流厚度及速度沿程分布.依据数值实验结果,建立了堤顶流最大厚度分布及最大速度分布的经验公式.计算结果表明,堤顶流厚度沿程减小,而堤顶流速度则沿程增大;后坡流厚度先增大,随后再沿程缓慢减小;后坡流速度先减小,随后再沿程缓慢增大.     

仿生多孔翼型后缘自噪声数值研究

采用大涡模拟(LES)和声比拟(AA)结合的方法,在低马赫数条件下,对SD7003多孔翼型自噪声声场进行计算,研究多孔材料在不同来流迎角下对翼型自噪声远场声压的影响规律,并阐述噪声的影响机理。结果表明：LES与AA相结合的方法能够较为准确地计算多孔翼型的边界层特征以及远场声压,且数值模拟结果与实验结果非常吻合。来流迎角为0°时,多孔翼型整体声压级随着渗透率的减小先减小后增大,渗透率为5×10^-11 m²时多孔材料的降噪效果最佳。多孔翼型整体声压级随着迎角的增大而增大,但多孔材料的降噪效果随着迎角的增大而减小。多孔材料的存在能够有效地削弱翼型表面的大尺度相干结构,使得翼型表面的RMS压强脉动峰值减小,从而抑制翼型远场噪声。     

振动翼型和襟翼的绕流特性研究

用数值模拟手段详细地研究了振动翼型和襟翼的绕流问题,数值模拟的出发方程为Euler和N-S方程,格式为Bcam-Warming格式的改进型。数值实验主要针对流场的二大特性进行的,即振动对激波的影响和振动对分离的抑制作用,结果表明:(1)随翼型或襟翼的振动激波强度和位置也相应地变化但这一变化滞后于攻角的变化;(2)振幅加大激波强度的变化和激波运动范围也加大;(3)振动频率越高对激波的影响反而较低频时要小;(4)流动条件的不同可使升力回线的走向发生变化;(5)振动对分离有明显的抑制作用。     

多孔介质对翼型绕流边界层影响的数值研究

以多孔尾缘结构SD-7003翼型为研究对象,基于格子Boltzmann方法(LBM)研究了不同多孔介质材料对翼型边界层发展及尾缘流动的影响规律。研究结果表明:LBM方法可以精确地计算出可渗透壁的多孔翼型边界层特征,且数值模拟结果与文献参考值非常吻合;相对于实体翼型,多孔尾缘上、下面压差推动渗流穿过多孔区衰减翼型表面的气动载荷波动,其衰减程度依赖于多孔材料的流阻;多孔翼型压力面与吸力面的边界层厚度较实体翼型有明显的增加,且边界层厚度随流阻的减少而增加。     

翼型大攻角状态下表面吸气驻涡增升的数值模拟实验

用数值模拟方法给出了翼型大攻角状态表面吸气后绕翼型流动的某些新现象并对流场的特性进行了机理性研究,其中包括吸气对翼型背风面分离涡的驻涡增升作用;吸气孔位置对流场的影响;不同吸气强度以及间歇式吸气的增升效应。数值模拟的出发方程为N-S方程,差分格式为Beam-Warming格式。数值实验表明:(1)吸气可有效地提高翼型大攻角状态下的升力;(2)在一定吸气强度下吸气可使翼型背风面上涡的非定常脱落现象消失从而起到驻涡作用;(3)吸气孔位置在翼面的中部附近增升效果较好;(4)在一定范围内吸气强度越强其升力越高;(5)间歇式吸气也可提高平均升力,但引起升力的波动。     

二层密度分层流体重力流的数值模拟

从RANS方程和RNGk-ε湍流模型出发,采用流体体积法(VOF)来模拟密度分层流动,对盐水和淡水因密度差异导致的分层重力流动现象进行了数值模拟.文中报道了平底水槽重力流、狭孔交换流的数值模拟结果,分层重力流锋面运动速度的计算值与现有的半理论半经验公式一致.为了揭示地形变化对分层重力流的影响,对设有缓变潜堤的水槽内分层重力流动的形成过程进行了数值模拟,给出了重力头推进速度和局部流场的计算结果,并讨论了分层流界面、流量和锋面附近的流速分布特征.     

适用于高速层流翼型的计算网格研究

高速层流翼型计算的敏感性在于转捩位置的判定与后缘压缩流的捕捉,其气动力系数和流场计算精度受计算网格影响很大。本文针对高速层流翼型流场计算的特点,考虑计算网格的关键影响,提出了影响近壁网格分布和远场网格分布的关键参数,并通过优化研究找出了能显著提高计算精度的网格分布要求。计算结果表明,对基于SST k-ω的γ-Re_(θt)转捩模型RANS数值求解方式,优化网格的网格量(9.6万)在相对于标准网格的网格量(8万)仅增加20%的情况下,显著提高了高速层流翼型LRN1015等的气动特性数值模拟精度,有利于层流翼型的设计与分析。     

基于CFD的河流弯道二次流的三维数值模拟

为了系统地研究河流弯道在二次流影响下水沙运动的特点,本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟和物理模型实验的方法,对河流弯道二次流进行了模拟和测量;应用雷诺时均法模型,结合Eulerian两相流模型对河流弯道二次流及其泥沙冲淤规律进行了数值模拟;以SIMPLE方法对压力场和速度场进行了耦合计算,并对辽宁省阜新市细河某段支流河道进行了物理模型实验,数值模拟的结果与实验结果基本一致,表明了本文方法的正确性。在此基础上,对90°弯曲的梯形断面河道的二次流结构和冲淤变化进行了分析,为防洪和水利设施的建设提供理论依据。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

利用非结构化网格方法对翼型绕流的数值研究

利用同位非结构化网格上的压力加权修正算法 ,对翼型湍流绕流进行了数值分析。详细地给出了一孤立翼型在不同攻角下的分离流结构及翼型表面压力分布 ,为了显示非结构化网格方法在求解多连通流动区域的优越性 ,对双翼型绕流进行了数值计算。在数值分析中 ,对阵面推进法进行改进来生成三角形网格 ,采用有限控制体方法直接在物理空间中的非结构化网格单元上离散 Navier- Stokes方程及 k- ε方程 ,形成的代数方程组通过预条件矩阵共轭梯度平方法求解。计算结果表明 :当流动为附着流时 ,计算结果与实验值吻合程度令人相当满意 ;而在分离区内 ,计算结果与实验值存在一定的误差 ,需对分离区内的湍流模型做进一步的改进。     

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

跨音速翼型上的激波／边界层干扰自适应控制计算

在激波区使用自适应壁对跨音速翼型的激波／边界层的相互作用（干扰）进行控制，可改变机翼的气动性能，这种被动控制可通过在翼型的激波区开一凹腔，其上覆盖一弹性橡胶膜柔壁来，本文给出用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｒ方程数值模拟这一自适应控制翼型的跨音速粘性绕流，提出了一个适应于本特殊情况（物面边界局部地区在求解过程中有变化）的处理办法。并探讨了自适应柔壁对当代跨音速翼绕流的影响。     

低雷诺数下柔性翼型气动性能分析

基于流固耦合方法对吸力面5%至95%弦长处为三段柔性结构的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,研究了不同弹性模量下柔性翼型的气动性能和结构响应.结果表明:在大攻角下,翼面变形影响着翼型表面的非定常流场,起到延缓失速和提高升力的作用;失速后柔性翼的升力系数下降得较为缓慢,且柔性越大,升力系数下降得越平缓;适当减小弹性模量能够提高翼型的气动性能,然而弹性模量过小反而不利于翼型气动性能的提升,并且翼面会产生大幅度的振动.     

定常吹气对倾转旋翼机向下载荷的影响

为进一步提高倾转旋翼机悬停状态下的有效载重,开展了定常吹气流动控制对向下载荷的影响研究。首先应用延迟脱体涡模拟(DDES)方法对翼型-90°迎角下非定常大范围分离流动结构进行了数值分析;然后分别开展了前缘吹气、后缘吹气降载措施研究,揭示了吹气降载的机理,并对不同吹气口位置和吹气动量系数的影响进行了定量分析,最后开展了前、后缘同时吹气作用下降载数值模拟研究。计算结果表明:前缘最佳吹气位置在翼型的前缘点,而后缘吹气最佳位置位于襟翼弦长的15%处;前缘吹气的降载效果要优于后缘吹气,而且吹气动量系数对向下载荷的影响较小;相对于初始未施加流动控制构型,阻力系数减小量可达到32.72%。     

涡、声干扰研究的某些进展

综述射流和翼型绕流中涡声及声学控制流动的研究进展，总结涡、声干扰的若干基本理论，并讨论数值模拟在此领域中的应用．     

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法.空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法.数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比.结果表明预处...     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.