计算风工程中 k-ε模型的边界条件研究

从 k-ε湍流模型控制方程入手，对两类满足平衡大气边界层理论要求的入口边界条件进行了详细分析，比较了二者的理论差异。然后以我国公路桥梁抗风规范中建议的 A 类风场为来流条件，定义了相应的 k-ε模型常数与壁面条件，使用两类边界条件进行数值模拟。计算结果表明：两类边界条件结合相应的模型常数与壁面条件，均能在数值模拟中构建基本满足规范要求的平衡大气边界层，但各有其适用范围。在此基础上，对模型常数 C 1和湍动能耗散率与数值模拟结果之间的关系进行了研究，采用修改模型常数与边界条件的方法，改善了数值模拟结果。     

CFD优化火箭涡轮泵间隙密封静动态特性计算模型

Bulk flow模型被广泛应用于计算火箭涡轮泵间隙密封泄漏量和动力学系数,然而半经验性的边界条件和阻力系数会降低模型的准确性。CFD数值模拟近年来被应用于间隙密封的研究,表现出优越的性能,然而瞬态计算动力学系数效率较低。结合两种方法的优势,利用CFD稳态流场分布,计算密封间隙边界条件,同时基于泄漏量相等优化目标,确定Bulk flow模型中阻力系数,并采用有限单元法数值求解优化后Bulk flow方程组。与文献中数值结果对比,数值结果与试验结果更加吻合,主刚度和交叉刚度最大偏差率为10.15%和7.54%。     

计算风工程中κ-ε模型的一类边界条件

给定适当的湍流来流边界条件是计算风工程中一个重要的问题.然而通常情况下,由于问题的复杂性,很难给定一个既满足边界层自保持要求又与试验相符的边界条件.本文首先从模型方程本身出发,推导出一类近似满足κ-ε模型自保持边界条件要求的湍动能表达式.此表达式与有关文献建议的湍流边界条件比较,可以考虑湍动能随高度的变化,因而更符合实测规律;然后基于风洞试验数据,定义了一组κ-ε模型中的模型常数;最后通过模拟风洞试验的算例,验证并分析了此类湍动能边界条件配合试验常数,在标准κ-ε模型中模拟均匀大气边界层的适用性.     

黎曼边界条件在高阶精度非结构有限体积方法中的验证与应用

黎曼边界条件是一种弱施加边界条件.通过引入有限波模型,对亚声速入口、出口以及远场边界可采用精确求解黎曼问题来统一处理,有效简化了此类边界条件的施加过程,避免了基于特征关系式与黎曼不变量的推导,并已在二阶精度非结构有限体积方法中取得了较好的数值表现.为进一步验证该边界条件的实用价值,将其推广至高阶精度非结构有限体积离散.通过基于制造解方法(Method of Manufactured Solutions,MMS)的流动、亚声速无黏圆柱绕流及添加初始高斯脉冲扰动的非定常流动这三类数值算例,分别检验了黎曼边界条件在高阶精度非结构有限体积求解器中的数值表现.从计算结果来看,施加黎曼边界条件不会破坏离散格式的设计精度,同时,相比基于一维黎曼不变量的无反射边界条件,黎曼边界条件的施加过程简便,且维持了较好的出口特性,为基于非结构有限体积方法的高精度数值模拟提供了一种更加简单有效的亚声速边界处理方式.     

建筑LES模拟脉动入口的适用性研究

采用周期人流边界,在展向等间距网格系统中对平板湍流边界层(驱动单元)进行LES模拟,并将顺压力梯度引人流体控制方程以维持湍流边界层厚度的稳定.记录驱动单元脉动时程并将其引人虚拟模拟网格系统(验证单元)以研究LES脉动人口方法的适用性.数值结果表明,采用周期人流边界可成功实现脉动输人,边界层在顺压力梯度下的自保持性良好;脉动人流特性在驱动单元内保持良好,可满足工程需求;顺流向平均流速剖面以及湍流强度剖面均满足低湍流度下的风场特性.数值结果可为我国B类地貌下抗风研究采用.     

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果.在求解非定常Euler方程时引入“网格速度”方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动.首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好.在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响.最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果.结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的.     

基于浸入式边界方法的运动物体声辐射数值模拟

为了在声学计算中简化网格的处理,从而发展出适用于运动复杂边界问题模拟的计算格式,基于浸入式边界方法,提出了一种适用于无黏流动、无穿透边界条件的处理方法,并对一些简单的运动物体声辐射问题进行了数值模拟.数值结果与解析解得到了令人满意的对比,初步验证了所提出的研究方案的可行性.     

增升装置微型涡流发生器数值模拟方法研究

 针对数值模拟带微型涡流发生器(VG)的增升装置绕流过程中出现的典型问题,研究相应解决途径.引入面搭接网格技术,避免传统结构网格方法造成的网格数量过大问题;在微型涡流发生器网格上采用特殊边界条件处理以分别对应有/无涡流发生器的状态,排除网格变动对计算结果造成的干扰;研发出了面搭接网格生成技术与特殊边界处理方法结合的求解加装微型涡流发生器的增升装置流动数值模拟方法.研究结果表明:该方法在处理增升装置这类复杂外形、复杂流动问题以及加装涡流发生器的流动控制问题时,具有良好的数值计算精度,能够满足研究需要,为开展涡流发生器精细设计和参数优化的数值模拟研究提供了可靠的技术途径.     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

航空发动机内流场数据平均方法研究综述

回顾了在航空发动机测试结果处理和数值仿真边界条件构建过程中发展而来的多种数据平均技术。归纳静压、总压、总温基于面积、体积流量、质量流量和熵通量等权重的加权平均法；介绍在假想混合面上与非均匀物理场满足相同物理特性的等效平均法及其扩展方法。梳理基于质量、动量、能量和熵等通量守恒规则发展出来的转静子交界面处的周向平均法；比较了不同加权平均方法之间各种等效平均方法之间的差别。最后总结各类平均方法的优势和缺陷，给出针对性应用场合中数据平均方法的选择建议。     

基于侧向膨胀影响爆震波的自持机理

为了研究受侧向膨胀影响时爆震波的传播特性及自持机理,在实验段对比分析了当量比(0.70~2.25)和波前预混气高度(1,2,3cm)对爆震波自持传播能力的影响.实验表明:波前预混气高度越高、预混气活性越强,则爆震波抵御侧向膨胀影响的能力越强,速度亏损越小,自持传播能力越强.运用Fay流体扩张理论,Dabora和Murray速度亏损理论,并结合Zeldovich-von Neumann-D?ring(ZND)模型对受侧向膨胀影响的爆震波激波角、界面角和速度亏损进行理论预测,证明Dabora的理论预测与实验值吻合很好,且发现若要受侧向膨胀影响的爆震波自持传播,则其速度亏损的极限为7.0%~11.0%.      

平衡气体对乘波体气动力特性影响

通过计算流体动力学(CFD)方法研究了乘波体在平衡气体条件下的气动力性能,并与完全气体条件下的计算结果进行了对比,分析结果表明:平衡气体对乘波体气动性能的影响是由边界层内的化学反应降低了边界层诱导压力而产生的.相对于攻角的影响,平衡气体效应对乘波体升阻比及俯仰力矩的影响并不大,但对压心位置有一定影响;并且平衡气体效应对乘波体气动特性的影响规律有别于其对再入轨道器气动特性的影响规律.研究结果对高空滑翔乘波体飞行器的设计有一定的参考价值.      

三维编织复合材料热物理性能的有限元分析

根据三维编织复合材料的细观结构,分别建立了三维四向和五向编织复合材料热物理性能的有限元模型.采用周期性的非绝热温度边界条件和位移边界条件,计算了三维四向和五向编织复合材料的整体等效热传导系数和热膨胀系数,计算结果同已有文献相比与实验值符合得更好.在此基础上,迸一步研究了编织角、纤维体积分数、编织结构等参数对材料热物理性...     

分析有限大内部开裂板的复变-变分方法及其应用

 本文利用复交函数方法导出了含内部裂纹有限大板的应力及位移的全场解。用变分原理处理边界条件,求解了含中心裂纹、孔边裂纹、偏心裂纹有限大板的应力强度因子,并对用铆接加强环加固以后的孔边开裂板进行了分析和计算。算例表明,本方法收敛快,省机时。     

电弧风洞内球锥全目标绕流场计算分析

针对电弧风洞高焓气体来流条件,通过数值求解三维化学非平衡Navier-Stokes方程,分析无烧蚀球锥全目标绕流场真实气体效应.考虑空气电离化学反应系统,包含7个化学组元和6个反应方程.差分算法是隐式NND格式.依据实验来流条件,计算了不同壁温及不同壁面催化特性下的流场结构和电子数密度,观察了来流非均匀性的影响.结果表明.尾迹区对模拟条件较敏感,其电子数密度随壁温降低而升高,完全催化壁的电子数密度约比非催化壁低近一个量级,实验状态的计算应采用风洞实际来流条件,     

关于平衡压力的几个问题

本文论述了定义物理量的基本要求并对平衡压力下了定义.然后,简略地证明了平衡压力的稳定条件以及燃烧室压力与平衡压力的近似关系.对于侧面燃烧装药的固体火箭发动机,在稳定条件下,燃烧室压力-时间曲线上只有少数特殊点处于平衡状态工作,而大量的其它点处于准平衡状态下工作.     

航空发动机滚动轴承的载荷分布研究

滚动轴承载荷分布的研究大多应用基于Hertz接触理论的拟动力学法进行。由于Hertz接触理论半无限空间的边界条件,以及分析时采用刚性套圈假设,拟动力学法的计算结果与实际情况有较大出入。近年来随着有限元、边界元等数值计算方法的发展,使考虑套圈变形和边界条件影响的滚动轴承载荷分布的研究成为可能。建立滚动轴承载荷分布的有限元分析模型,分析载荷参数对轴承接触应力、接触角和变形的影响规律,并将有限元法的计算结果与拟动力学法及实验结果进行分析比较。研究表明:由于有限元法考虑套圈变形以及边界条件的影响,与实验结果更为接近。     

波瓣引射-混合器特性参数影响的数值研究和验证

运用不可压缩流动Navier—Stokes方程,对波瓣喷管引射-混合器的流场和引射特性进行了三维数值研究。在计算过程中,主流进口采用质量流量边界条件,二次流进口和混合流出口采用压力边界条件,均设置为环境大气压力。与相关的实验结果对比表明本文的计算方法可以有效地预测引射流量比和混合流场。针对混合管的结构参数开展了系列研究,获得了混合管截面比和长径比对于引射系数和热混合效率的影响趋势。     

一种混合型四阶格式、基于特征的边界条件及其应用

本文描述并应用差分格式的构造原则,采用了时空转换的格式构造方法构造了一个四阶精度的差分格式,文中还进一步提出将四阶格式和二阶ＮＮＤ格式混合的方法,即在光滑区格式保持四阶精度、在激波附近降为二阶ＮＮＤ格式,来增强格式捕捉激波的能力。同时,本文基于特征传播的思想,建立了一种开边界的数值计算方法,并采用将边界条件嵌入控制方程的方法以及新的简化形式的边界处理方法,完整给出了无粘、粘性物面和开边界的的边界计     

Trailing-edge shock loss control with self-sustaining synthetic jet in a supersonic compressor cascade

To effectively reduce the loss of strong shock wave at the trailing edge of the supersonic cascade under high backpressure, a shock wave control method based on self-sustaining synthetic jet was proposed. The self-sustaining synthetic jet was applied on the pressure side of the blade with the blow slot and the bleed slot arranged upstream and downstream of the trailing-edge shock,respectively. The flow control mechanism and effects of parameters were investigated by numerical simulation. The res...