Rotor wake capture improvement based on high-order spatially accurate schemes and chimera grids

A high-order upwind scheme has been developed to capture the vortex wake of a helicopter rotor in the hover based on chimera grids. In this paper, an improved fifth-order weighted essentially non-oscillatory (WENO) scheme is adopted to interpolate the higher-order left and right states across a cell interface with the Roe Riemann solver updating inviscid flux, and is compared with the monotone upwind scheme for scalar conservation laws (MUSCL). For profitably capturing the wake and enforcing the period boundary condition, the computation regions of flows are discretized by using the structured chimera grids composed of a fine rotor grid and a cylindrical background grid. In the background grid, the mesh cells located in the wake regions are refined after the solution reaches the approximate convergence. Considering the interpolation characteristic of the WENO scheme, three layers of the hole boundary and the interpolation boundary are searched. The performance of the schemes is investigated in a transonic flow and a subsonic flow around the hovering rotor. The results reveal that the present approach has great capabilities in capturing the vortex wake with high resolution, and the WENO scheme has much lower numerical dissipation in comparison with the MUSCL scheme.     

爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响

在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型,考虑粘性、热对流,基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响,分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系,讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内,相比于半圆形和三角形的爆震室装置,矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时,粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用,能较快形成稳定的爆轰波,且推力为35.5N;随着壁面对流换热系数的增大,爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时,爆震室内不能形成稳定的爆震波．     

铁路空调硬卧车内气流分布的数值模拟

建立了铁路空调硬卧车内CFD仿真模型,对车厢内流场、温度场和热舒适性评价指标进行了分析。采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,应用控制容积法和交错网格进行离散。计算了空调硬卧车内三维空气流场和温度场,并与实验结果进行了对照,两者吻合较好。在此基础上分析了车厢内人体热舒适性,结果表明车厢中部和端部铺位PMV分布不同,端部人体热舒适感较好,中部较差;而且同一计算断面不同铺位的人体热舒适感差异较大:上铺有较大区域PMV<-1.0,人体感觉较凉;中铺大部分区域-0.51.0,人体感觉偏暖。     

蒙特卡洛方法数值研究大气颗粒物动力学效应和辐射传输性质

爆发性增强的雾天,空气污染严重能见度低,这与大气边界层湍流性质、悬浮颗粒的动力学及散射性质密切相关.文中基于颗粒群平衡方程和Mie理论,采取加权蒙特卡洛方法,自行开发了Fortran程序.文中计算所得的颗粒尺度分布函数、颗粒散射性质与实验值、理论解一致,验证了数值模型和方法的正确性.此外,数值研究了雾爆发性增强阶段雾滴谱拓宽、能见度降低的机理,讨论湍流输运和颗粒局部聚集效应下颗粒间的碰并过程,并耦合颗粒散射性质,数值分析雾发展中湍流耗散率对颗粒对径向相对速度、系统透过率的影响;以及颗粒对径向相对速度与系统透过率、颗粒尺度的关系.研究结果表明:随着湍流耗散率的增大,颗粒的径向相对速度呈现先缓慢而后快速增大的变化趋势.1000s时刻,湍流的耗散率为1.0×10-2m2/s3,颗粒径向相对速度(无量纲)为0.0969;对于0.6μm的可见光,雾环境颗粒系统的透过率为0.47.此外,雾发展中雾滴易与气溶胶碰并,系统的散射性质与水组成的雾滴系统不同,天气的能见度明显降低.      

基于高阶空间精度格式和嵌套网格对旋翼尾迹捕捉的改进

发展了一种基于高阶迎风格式和嵌套网格捕捉直升机悬停旋翼涡尾迹的方法．无粘通量采用Roe Reimann求解器,使用改进的5阶加权基本无振荡(WENO)格式对交界面左右状态进行高阶插值,并与MUSCL插值进行比较．为便于捕捉尾迹和实施周期性边界条件,计算采用结构嵌套网格,其中高质量的旋翼网格完全嵌套于背景网格中．当解达到近似收敛后在桨尖涡分布区域对背景网格进行加密,如此经过3次得到优化的背景网格．考虑到WENO格式插值的特点,提出了搜索3层洞边界和人工外边界的方法以便插值的直接进行．用该方法对一跨音速和一亚音速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算．数值结果表明:所发展方法对涡尾迹具有很高的捕捉能力;与MUSCL格式相比,WENO格式具有较低的数值耗散．     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

用隐式方法和WENO格式计算悬停旋翼跨声速无粘流场

寻找一种能够准确计算以涡为主要特征的复杂流场和克服尾迹耗散问题的数值方法,一直是旋翼空气动力学研究的热点和难点。本文发展了一种基于高阶迎风格式计算悬停旋翼无粘流场的隐式数值方法。无粘通量采用Roe通量差分分裂格式,为提高精度,使用五阶WENO格式进行左右状态插值,并与MUSCL插值进行比较。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。用该方法对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算,数值结果表明WENO-Roe的激波分辨率高于MUSCL-Roe,体现出了格式精度的提高对计算结果的改善,LU-SGS隐式方法的计算效率比5步Runge-Kutta显式方法的高。     

两种颗粒湍流扩散模型数值模拟气液两相流泄漏扩散的比较

采用相间耦合的欧拉-拉格朗日方法,模拟了装有液化气（丙烷）的容器出现小孔或裂缝时,发生泄漏后的气液两相扩散过程。分别应用随机轨道模型及颗粒群模型来考察湍流对液滴扩散的影响,并与确定性轨道进行了比较。给出了数学物理模型,计算结果与实验数据进行了对比。结果表明：采用随机轨道模型能较好地描述液滴的湍流扩散,适用于有液相蒸发的两相流扩散问题。