圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

纳秒脉冲等离子体激励器用于圆柱高速流动控制的数值模拟

利用数值模拟,研究了纳秒脉冲介质阻挡放电（NS-DBD）等离子体激励器在圆柱高速流动控制中的应用。首先,研究了单电极NS-DBD等离子体激励器在静止空气中放电后的流场特性。研究表明在介质阻挡放电形成的等离子体区域,有局部能量快速注入,放电结束5 μs后在上极板后端点位置形成了一个局部温度高达900 K的热点,由此引发很强的压力扰动,形成以上极板后端点位置为中心,扩散速度约为声速的半圆形压缩波。在此基础上,通过数值模拟研究了NS-DBD等离子体激励器布置在直径为6 mm的圆柱上,来流马赫数为Ma_∞=4.6时,对圆柱脱体激波的控制作用。研究表明介质阻挡放电形成的半圆形压缩波对于脱体激波有很强的干扰作用,激波距离增加了15.7%,激波强度也有相应的减弱,导致阻力减少了13%。     

跨声速半球柱绕流流场的激波系结构

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跨声速压气机转子流场特性的数值研究

为研究跨声速压气机转子在设计转速下的内部流场特性,探索其流动机理,考察激波位置及成因,利用三维数值模拟方法对其进行了数值研究。结果表明,该跨声速压气机转子在设计转速下高效工作范围较宽,喘振裕度约为27.15%。近堵塞工况时,转子叶片前缘出现一道脱体的弓形激波,转子叶片流道内也存在一道正激波,激波位置随背压升高向叶片前缘移动;最高效率工况时,叶片前缘叶尖相对马赫数达到1.5。近失速工况时,流道内正激波消失。转子叶顶间隙处存在强烈的激波与附面层及间隙泄漏流的相互作用,该处熵值随背压升高而增大,高熵区随激波前移而向转子叶片前缘移动。     

低亚声速和跨声速矩形柱绕流的大涡模拟研究

采用基于非结构网格的有限体/有限元混合格式和大涡模拟的方法求解可压缩Navier-Stokes方程,研究了不同长宽比矩形柱低亚声速和跨声速绕流的流动特性。在雷诺数为22000时,对来流马赫数等于0.1和0.75,截面长宽比分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的矩形柱绕流进行了大涡模拟,以研究长宽比和压缩性对矩形柱绕流流场的影响。马赫数为0.1时,Strouhal数随着长宽比的增大先降低再增大然后再降低;长宽比为3∶1和4∶1时会有流动的再附产生;柱体上表面的三维特性在长宽比大时更明显。马赫数为0.75时,Strouhal数随着长宽比的增大逐渐减小;湍流脉动和涡脱落受到抑制;方柱的近尾迹区域,有两种形成机制不同的局部超声速区。     

超临界二氧化碳超声速流动中的激波问题研究

对于理想气体而言，激波前后的流动参数变化受马赫数和气体比热比的影响，但对于超临界二氧化碳(S-CO₂)，其物性规律在临界点附近变化显著，使得激波后的流动参数难以预估。本文通过推导激波关系式，并结合S-CO₂物性数据库，建立激波计算的数值迭代程序，对S-CO₂超声速流动中的正激波和斜激波进行研究，并将理论分析结果和CFD仿真结果进行对比。结果表明：激波压缩不会造成气态CO₂向液态CO₂转变，但会使得气态或液态CO₂向超临界态转变；CO₂正激波前后压比随马赫数变化主要受来流相态影响，温度比变化则主要受来流初始参数影响；S-CO₂正激波波后参数在不同来流条件下的变化趋势具有相似性，当来流压力在临界压力附近时，波后流动参数变化剧烈；马赫数越高，激波出现最小熵增时对应的来流温度-压力曲线越靠近准临界线；在准临界线两侧，S-CO₂的斜激波脱体角度随来流压力增大分别呈现出“类气体”和“类液体”的变化特性。     

关于跨声速流动的敏感性

本文从大量实验事实出发,分析了细长锥-柱体跨声速流场结构随来流马赫数M_∞的变化。指出这种结构外形圆柱段上的流动随来流M_∞数的变化呈现一种特殊的敏感特征,由此提出了跨声速上、下敏感马赫数的概念。研究表明,圆柱段上的流动并非在整个跨声速范围都十分敏感,其真正敏感区域是介于上、下两个敏感马赫数M_(us)、M_(ls)之间的区域。这一特征对跨声速流动中的若干结果有一定概括性。对跨声速领域理论分析、数值计算、开展实验及实际飞行均有一定指导和参考意义。     

气体动理论BGK格式的网格自适应方法

为了提高气体动理论BGK（Bhatnagr-Gross-Krook）格式在超声速流动问题计算时激波捕捉的准确性与计算效率,提出了一种适用于气体动理论BGK格式的网格自适应加密方法。该方法采用基于四边形的链表技术来描述网格的拓扑结构,在物理量重构过程中,使用了在四边形网格中表现优异的van Leer限制器,以保证粗细网格过渡处物理量重构的精度。用跨声速翼型绕流（马赫数Ma=0.85）、超声速前台阶流（Ma=3）和高超声速圆柱绕流（Ma=8.03）等多个典型算例验证了BGK自适应网格方法。计算结果表明,自适应网格BGK方法在保证数值精度的前提下,可大幅度提高计算效率。这为该方法用于高效地解决复杂问题提供了一种选择。     

二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度研究

为了研究内收缩比和来流马赫数对二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度的影响规律及失稳机制,采用二维非定常仿真方法研究了内收缩比(ICR)为1.04～1.25的进气道在来流马赫数Ma₀为2.4的条件下,以及内收缩比为1.08的进气道在来流马赫数为2.2～2.8条件下,其由稳态向失稳状态转变的过程。研究结果表明：(1)当Ma₀=2.4时,在1.04≤ICR≤1.12内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度ζ减小;1.16≤ICR≤1.25内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度增大。(2)在内收缩比为1.08的条件下,马赫数变化引起的分离激波角和分离包再附压升两个关键因素变化共同主宰着进气道亚临界稳定裕度的变化趋势。(3)总体上,根据稳定亚临界初始状态的三相点无量纲高度?_b是否大于1可将进气道的亚临界稳定裕度变化情形分为两类,当?_b<1时,ζ随着?_b的增加而减小;当?_b> 1时,ζ随着?_b的增加而增加。     

AUSM+格式的改进

为了提高AUSM 格式对流场计算中激波和剪切流的分辨率,减小数值振荡和激波后数值过冲问题,本文在原有AUSM 格式的基础上经过数值研究分析,对AUSM 格式进行了声速、特征马赫数的处理方式,对网格界面马赫数等进行了改进,并用改进后的AUSM 格式求解了含有脱体激波、斜激波、剪切流、膨胀扇、及湍流边界层等流动特征的复杂流动.经典型算例检验证实,改进后的AUSM 格式对激波和剪切流的分辨率得到了加强,求解的准确性和收敛性有一定的提高.改进后的AUSM 格式继承了原AUSM 格式优点,计算处理问题能力增强,可以有效地应用于亚声、跨声和高超声流动的工程实际问题中.     

Double-decoupled inverse design of natural laminar flow nacelle under transonic conditions

The inverse design based on the pressure distribution is an essential approach to realize the improvement of Natural Laminar Flow(NLF) performance for nacelles. However, the direct definition of target pressure distribution at design point is challenging for the dilemma to consider the constraints of shock wave and laminar flow at the same time. In addition, the universality of method will be limited when the inverse design is strongly coupled with the solver. Thus, a double-decoupled methodolog...     

Simulation of the flow around a stationary circular cylinder taking into account laminar-turbulent transition

We consider a problem of a stationary incompressible viscous fluid flow around a flat circular cylinder. In the vicinity of the critical Reynolds number Re _cr a stepwise drop of the cylinder drag takes place, which is called the drag crisis.     

基于响应面的翼型稳健设计研究

翼型的稳健设计就是要考虑环境中不确定因素的影响,提高翼型的性能,同时保证翼型性能对环境因素的变化不敏感的设计方法。本文应用响应面模型,通过减小翼型在不确定因素变化范围内阻力系数的均值和方差,构建了一个有效的翼型稳健设计的方法。应用本文的方法,选择马赫数作为不确定因素,假设马赫数在0.7~0.8间均匀分布,在满足升力约束条件下最小化阻力系数,结果证明本文的方法进行翼型的稳健设计是可行,高效的。     

曲面形栅格翼气动特性研究

与常规栅格翼布局相比，曲面形栅格翼布局减小了栅格翼翼元的等固壁通道的长度，从而有效降低了翼元内气流的壅塞，另外，这种栅格翼布局结构简单，易于折叠，减小了飞行器的轮廓尺寸，具有很好的工程应用前景。本文通过数值模拟方法，在亚、跨、超声速条件下，研究了曲面形栅格翼布局的减阻效果和减阻机理，对比了曲面形栅格翼和常规后掠形栅格翼布局的减阻效果，并对不同迎风方式的曲面形栅格翼气动特性进行了分析。     

斜、直圆柱绕流的CFD模拟

采用CFD软件CFX5.5对直圆柱和斜圆柱绕流进行数值模拟,计算了直、斜置圆柱的阻力系数、升力系数、周向平均压力系数及其脉动压力系数的均方根值,并与试验结果进行了比较.计算表明,斜圆柱绕流与直圆柱绕流有很大的差异:斜圆柱绕流的平均阻力系数减小,平均升力系数不等于零,升力系数的频域除包含有传统的卡门涡脱频率外,还包含有许多低频成份.     

基于被动控制的D型钝体减阻大涡模拟研究

钝体减阻在航空航天等多个领域内具有重要的应用潜力,也是重要的基础研究热点问题。为了精确捕捉流动控制的流动细节,并发展效果优良的流动控制减阻方案,论文围绕抽象出的D型钝体,采用大涡模拟方法,开展了被动控制减阻高精度数值模拟研究。首先基于前期研究成果,对D型钝体尾迹区剪切层附近放置一个光滑小圆柱的被动减阻方法开展了数值模拟,发现总阻力减小17.7%,与试验结果吻合很好,同时数值预测的速度场分布也与试验结果吻合良好。在此基础上,进一步提出了采用齿槽型表面结构的小圆柱对D型钝体尾迹区进行扰动,并开展了数值验证,发现总阻力减小21.4%,优于前期的减阻方法。最后研究了在三种雷诺数工况下两种小圆柱扰动情况下的减阻效果,均表现出良好的减阻效果,两种小圆柱扰动下总阻力最大降幅分别为19.6%和23.1%,同时基于大涡模拟计算结果对减阻流动机理进行了探讨。上述研究结果表明,通过进一步优化流场结构,可以得到更优的流动减阻方案。     

锥形流乘波体优化设计研究

随着马赫数的升高,波阻和摩阻增加,形成升阻比"屏障",而乘波构型飞行器是克服这一屏障的有效途径。本文在Ma_∞=4.0~20.0、高度H=24.0~52.0km、圆锥角Ac=5°~10°的条件下,以升阻比为目标函数,进行了乘波体的优化设计,讨论了对乘波体优化外形的影响因素,并给出全马赫数范围的优化乘波体外形及其气动力结果。     

采用上游扰动体被动控制减阻技术的实验研究

通过风洞测压和水洞流动显示实验,研究了不同直径的扰动体尾迹下圆柱的流动结构和气动特性。结果表明当扰动体和圆柱串列布置时,流动呈现出两种流动模式:空穴流动和尾流撞击模式。当圆柱处于空穴流动模式时,其阻力可以大幅度降低。当扰动体直径为圆柱直径1/2时,圆柱阻力最大降低98%。综合绕流结构和圆柱表面压力分布的变化,指出阻力减小的原因主要是扰动体对圆柱前体的保护作用以及对后体流动的干扰作用,其中后者占主导地位。随着扰动体直径的增加,扰动体对圆柱前体的减阻效果增加。     

一种跨声速风洞透气壁模型的数值模拟研究

宽体客机巡航状态、阻力发散马赫数状态以及俯冲状态的绕流均属于跨声速流动,风洞试验过程中由于试验段壁板的存在,模型与洞壁均可能产生较强的激波,并诱发复杂的相互干扰,进而呈现出强烈的非线性耦合现象。针对宽体客机标模在 FL灢26 风洞中试验的洞壁干扰情况,提出一种基于透气壁模型的数值模拟方法;基于该方法研究 0.8≤Ma ≤0.92 范围内的模型洞壁干扰耦合效应。结果表明:与基于壁压信息法的数值模拟方法相比,采用透气壁模型方法不需要测试数据,能够较好地模拟孔壁流动对宽体客机升力系数曲线的影响,同时也给阻力带来较大的修正量。     

吸气条件对圆柱非定常分离流影响的数值研究

本文根据二维可压非定常Ｎ－Ｓ方程，基于Ｂｅａｍ ａｎｄ Ｗａｒｍｉｇｎ及Ｓｔｅｇｅｒ的方法，在圆柱绕流出现周期分离后，施加吸气条件，研究气对于圆柱非定常绕流的影响，计算结果表明，在恰当地区域施加恰当的吸气条件，可以希望通过减小压差阻力来减小总阻力，吸气还有抑制尾迹中非对称流动的作用，从而使圆柱所受的垂直于来流方向的升力的变化幅度减小，变化频率减小，但是吸气会增加磨擦阻力，过份的吸气会导致摩阻增大太