二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

超声速自由涡气动窗口剪切层光学性能的优化设计研究

在超声速自由旋涡气动窗口应用中，高能激光束实际上是透过超声速自由旋涡射流的剪切层输出的，激光束会受到剪切层的退化畸变。为了减少这种畸变，优化超声速剪切层光学性能，提出了超声速自由旋涡射流的压力匹配和折射率匹配剪切层的设计方法。提出了两种类型的折射率匹配剪切层的设计方法，讨论了其设计过程。这两种剪切层分别为按照某种比例混合的He／Ar混合气体作为自由旋涡射流的工作气体时的折射率匹配剪切层，以及选用加热到某个温度的干燥空气作为自由旋涡射流工作气体时的折射率匹配剪切层。     

超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟

冲击射流广泛应用于短距起飞垂直降落飞行器(SVTOL)等航空航天领域.本文采用大涡模拟方法对高度欠膨胀的超声速冲击射流的流场进行了数值模拟.本文数值模拟得到了高度欠膨胀冲击射流流场中的激波结构和内外剪切层中不同尺度的涡结构.数值结果观察到了马赫盘的振荡,以及在斜激波、马赫盘及大尺度涡结构的共同作用下,射流内外剪切层之间的环形激波的生成与消失的周期过程.并对流场内剪切层的涡结构的演化进行了研究,数值结果显示内剪切层的大尺度涡结构的形成与马赫盘的振荡相关,在内外剪切层的作用下形成了壁射流区内外交错的涡结构.     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

超声速粘性剪切流空间稳定性对称紧致差分数值分析

用一类高精度对称紧致差分格式数值离散一阶改型三维可压粘性扰动方程,对导出的非线性离散特征值问题采用二阶修正Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ边值迭代局部解法,实现了超声速剪切流的线性空间稳定性分析。基于对流Ｍ数、Ｒｅ数、速度比、密度比等参数研究,讨论了压缩性效应、粘性效应、超声速扰动快／慢模态等,结果显示超声速粘性剪切流的弱不稳定性同多种影响因素密切相关。     

关于超声速剪切流动的数值模拟

本文通过采用混合型的四阶精度频谱关系保持格式和基于信号特征传播的边界处理方法,对对流马赫数分别为0.5、0.9和1.4的时间发展和超声速空间发展的剪切流动进行了数值模拟,目的是对剪切层不稳定结构的演化方式、相同对流马赫数下时间发展和超声速空间发展的剪切流动的异同作初步研究.研究表明,对时间发展的剪切流动来说(1)当Mc=1.4时,剪切层内流动演化的形态为首先压力等值线在其极值点处产生中心型结构,且极大值点和极小值点交替分布.然后中心型结构进一步发展并产生横向分裂,从而在剪切层内等压力线出现鞍点结构.随后剪切层内重新产生中心型的压力极值点结构,进而又出现鞍点结构.如此发展下去,剪切层内的压力等值线呈现中心和鞍点的组合.剪切层外的压缩波沿特征线方向传播并加强,形成类激波的结构,最后在流场中包含许多压缩和膨胀波.在计算时间内流向的周期性未受破坏.(2)当Mc=0.5时,初始的流向的周期结构经过一定时间后将丧失其稳定性.在计算域为两个扰动周期的情况下,扰动形成的旋涡的后期演化表现为涡的对并.(3)对Mc=0.9的流动,演化图象介于前两者之间.对具有相同对流马赫数的空间问题来说,由于粘性和非线性发展对周期性的破坏,随着空间距离的增长,流动演化与时同问题的差异增大.相比较而言,高对流马赫数的时间问题与空间问题的差异明显大于低Mc下的差异.     

含激波、旋涡和声波的复杂多尺度流动数值模拟研究

近年来针对激波噪声计算,我们开展了较为系统性的数值方法研究,解决了计算激波噪声的一些方法上存在的问题。通过对典型问题的直接数值模拟,包括旋涡之间相互作用、激波与旋涡相互作用、激波与剪切层相互作用等模型问题和超声速喷流激波噪声问题,揭示了一系列激波噪声产生机理。本文对这些研究进行简要回顾。     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

超声速自由剪切层流动的数值模拟和理论分析

本文从二维完全Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式，计算了超声速自由剪切层流场，并且研究了上游扰动在剪切层内的传播规律。在数值模拟的基础上对流动涡结构进行了分析。     

超声速自由剪切尾流动的数值模拟和理论分析

本文从二维完全Ｎ－Ｓ方程出发，采用ＮＮＤ２Ｍ差分格式，计算了超声速自由剪切层流场，并且研究了上游扰动在剪切层内的传播规律，在数值模拟的基础上对流动涡结构进行了分析。     

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性，基于可压缩Navier-Stokes方程，采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68，喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征，得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外，因桶形激波背风面低压区处的斜压效应，射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对，反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动，形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面，因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。     

高阶气体动理学格式在湍流数值模拟中的应用

本文回顾了高阶气体动理学格式在湍流数值模拟中的应用。与传统的Riemann求解器相比,气体动理学格式可以提供时空耦合的演化过程,这对发展高精度格式十分重要。因此,基于两步四阶时间离散和高精度WENO重构,发展了具有四阶时间精度的气体动理学格式。该格式有更高的数值精度和稳定性,并且具有更好的处理复杂流动问题的能力。目前,两步四阶格式已经成功地应用到低雷诺数湍流直接数值模拟和高雷诺数工程湍流RANS模拟中,包括低速槽道湍流、超声速均匀各向同性衰减湍流、二维亚声速翼型湍流和三维跨声速翼身湍流等。数值结果表明该格式对湍流直接数值模拟和湍流RANS模拟具有高数值精度和高数值稳定性。下一步将利用高阶气体动理学格式研究更具有挑战性的可压缩湍流问题,例如超声速湍流边界层和激波边界相互作用等。     

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。     

强粘性层流理论及在粘性流计算中的应用

对高雷诺数流动计算，为了解决部分粘性项甚至全部惯性粘性项落入误差与流动物理尺度的关系问题，本文提出强粘性流动理论。强粘性流中至少有一个粘性项与惯性项同量阶，理论包含了物理尺度各向极限、经典边界层和多层边界层理论为其特例，给出了从经典边界层向物理尺度各向相同极限演化的尺度规律和粘性惯性诸项变化的量阶关系，阐明了粘性与惯性力强相互作用将在剪切层的法向以流向同时“激发”涉尺度结构。对粘性流计算，利用强粘性剪切流尺度律重新标度NS格式的修正微分方程，给出临界网格尺度与流动物理尺度和差分格式精度的关系，得到部分粘性项落入误差和计算结果为非物理数值粘性解的二个判据。并以流场中的边界层、驻点和分离点领域计算为例说明理论的应用，对强粘性剪切流计算、证实部分粘性项甚至全部粘性惯性项落入误差的问题值得重视。     

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

超声速开式空腔流动的数值模拟

研究了不同长深比、不同雷诺数条件下,超声速开式空腔流动特性的变化。算法采用空间上5阶的WENO格式,时间上具有TVD性质的3阶Runge-Kutta方法,湍流模型选用B－L模型。数值模拟获得了不同的时刻的注场图像,压力波、涡以及空腔结构之间的相互耦合作用,使得空腔内存在典型的周期性压力脉动,但不同长深比空腔的流动性存在较大差别。