跨声速半球柱绕流流场的激波系结构

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跨声速伽辽金有限元法所用上风技术的改进

伽辽金有限元法是解跨声速绕流的有效方法,对超临界流动,为了自动捕捉到激波,通常采用了上风技术,但导致了气流通过激波时质量守恒条件得不到满足。本文通过Bateman变分原理和加罚泛函找到了强制满足质量守恒约束条件的附加项,大大改善了用伽辽金有限元法解超临界绕流的计算结果。     

垂直于物面的横截面上流态的拓扑

对于旋成体有迎角绕流，本文研究了垂直于物面的横截面上的流态结果。利用解析方法，给出了物面轮廓线上、迎风和背风对称线上以及全横截面上截面流线方程奇点的分布规律以及奇点沿流动方向的演变规律，从而可定性地确定截面流态的结构。通过求解ＮＳ方程数值模拟了钝锥有迎角高超声速绕流流场，计算获得的垂直于物面的横截面流线的拓扑结果和理论分析完全一致。     

机翼跨声速绕流的Galerkin有限元解法

本文给出了翼型和机翼跨声速绕流的Galerkin带权余数有限元解法。利用一系列适当形状的元素将计算区域离散,在元素内采用线性插值函数。对于超临界流动,文中采用了适合于有限元法的超声速上风技术,具有捕捉激波的能力。将这种技术应用于线松弛迭代解法中,在计算钝头翼型和机翼绕流时,都获得了成功。     

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。     

绕凸台的高超声速分离流动研究

本文研究高超声速流动绕三维低凸台的流动特性。凸台高度与边界层厚度之比介于0.5～0.8,凸台周边倾角介于14°～45°。在高超声速风洞中,来流马赫数为5,单位雷诺数为2.6～6.0×10~7/米。实验过程中测量了模型中心线及特殊部位之表面压强分布,根据纹影记录及表面流动显示确定激波与边界层干扰流场特性及分离区的变化。发现分离区在中心线上距凸台最远,而在凸台肩部距周边沿法线方向最近,确定了中心线上最大压强比的位置。     

高超声速化学非平衡粘性激波层方程的数值解

本文讨论了高超声速粘性激波层方程数值计算时差分格式引起的物理失真问题。具体分析了全隐格式格式粘性的影响,并作了数值试验。为了验证隐式结果的可靠性。在超声速激波风洞中测量了钝锥的表面压力分布,并与计算结果作了比较,两者基本一致。 本文采用隐式有限差分法数值计算了高超声速化学非平衡粘性激波层绕细长球锥的流动。计算时采用连续方程和法向动量方程耦合求解的方法以解决细长体远后身区计算中的问题。应用网格技术和加强系数矩阵主对角元素优势的方法提高了化学非平衡流计算的雷诺数范围。文中给出了高超声速化学非平衡流的计算结果,并与其它文献的结果作了比较。     

用粘性／非粘性相互作用法求解机翼跨声速分离流

提供了一种计算机翼的跨声速绕流的粘性／非粘性相互作用的计算方法,包括无粘流场计算,混合边界层计算及两者之间的相互作用,其中三维混合边界的计算包括了层流边界层,转捩区,湍流边界层和分离流的积分方法计算了,特别是在靠近分离的区域采用边界层反方法计算,无粘流场由全速势方程计算得到,通过粘流无粘流耦合迭代求得了Ｍ６机翼跨声速绕流的收敛解,与实验结果比较,吻合得较好,本方法能够计算出激波诱导分离泡和后缘分离     

旋成体轴对称跨声速全位势流的高效差分算法

本文用守恒型全位势方程,贴体坐标网格,对旋成体轴对称跨声速绕流的差分数值计算方法进行了研究;根据最佳收敛准则,提出了轴对称情形的AF2迭代算法,并将此算法应用于半球头柱体、弹体等各种外形的旋成体。与一般方法仅适用于亚声速自由流不同,本计算可从亚声速、跨声速自由流一直到低超声速自由流。计算结果表明,本文方法收敛快,与实验及其它方法的结果符合较好。     

绕钝体分离流动的非定常数值模拟研究

利用非定常RNGk-ε模型对三种典型的钝体绕流问题进行了研究,这三种流动分别为:方柱绕流、圆柱绕流和绕立方柱流动。研究表明了采用非定常雷诺平均方法可以研究钝体绕流的非定常流动,但所获得的结果各不相同。对于分离角固定的方柱绕流和绕立方柱流动,数值模拟结果和实验以及大涡模拟结果吻合较好,对于分离角不固定的圆柱绕流,随着雷诺数的增加,数值模拟结果和实验结果相差越大,分析认为这是由于壁面模型无法准确预测流动中不固定的分离角所致。改进了绕立方柱流动的模拟方法,采用非定常模拟方法后获得的结果要比定常模拟方法得到的结果有了根本改善。     

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题。在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理。结果表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减小跨声叶栅角区分离,提高叶栅的流通能力,改善叶栅性能;在大攻角下,叶根槽射流已不能破坏角区环形涡,但仍能为角区低能流体充能,减弱角区分离,从而拓宽叶栅工作范围。在0°攻角下总压损失系数可降低11.6%,同时叶栅攻角裕度由2°拓宽为3°。      

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

考虑顶隙的压气机单转子内三维跨音速粘性流场结构的数值模拟

借助于考虑叶片顶部间隙的压气机转子内跨音速湍流流场的三维数值解,得到了该转子流场中的复杂涡系与波系结构。给出了叶片表面及轮毂面上的壁面流型,分析并揭示了转子叶道内的马蹄涡、通道涡、角涡、尾涡等复杂涡系及其与激波的相互干涉;特别是,分析并揭示了转子叶道内顶隙射流的特点,得到了顶隙附近激波与泄漏流动的干涉形态及泄漏流动的发展,并着重给出了其与激波的干涉形态。     

Topological Studies of Three-dimensional Flows in a High Pressure Compressor Stator Blade Row without and with Boundary Layer Aspiration

This paper presents a numerical study of the flow topologies of three-dimensional (3D) flows in a high pressure compressor stator blade row without and with boundary layer aspiration on the hub wall. The stator blade is representative of the first stage operating under transonic inlet conditions and the blade design encourages development of highly complex 3D flows. The blade has a small tip clearance. The computational fluid dynamics (CFD) studies show progressive increase of hub corner stall with the increase in incidence. Aspiration is implemented on the hub wall via a slot in the corner between the hub wall and the suction surface. The CFD studies show aspiration to be sensitive to the suction flow rate; lower rate leads to very complex flow structures and increased level of losses whereas higher rate renders aspiration effective for control of hub corner separation. The flow topologies are studied by trace of skin friction lines on the walls. The nature of flow can be explained by the topological rules of closed separation. Furthermore, a deeper analysis is done for a particular case with advanced criterion to test the non-degeneracy of critical points in the flow field.     

影响某双级跨声风扇流动稳定性的关键因素分析

对某双级跨声轴流风扇进行了全三维数值模拟,计算的总性能曲线和试验曲线得到了很好地吻合.通过对该风扇内部流场的详细分析,从叶顶分离、顶部间隙流导致的阻塞以及静叶端区的流动阻塞三个方面逐步排查了影响风扇流动稳定性的因素.最后得出静叶2叶根角区分离和叶中附面层分离形成的低能流体是影响该双级跨声风扇流动失稳的关键因素.      

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

Integrated passage design based on extended free-form deformation and adjoint optimization

Inspired by the three-dimensional design of flow passages in turbomachinery, this study proposes the concept of integrated passage design. The capability of adjoint method for efficient optimization and the flexibility of the parameterization method based on extended free-form deformation have been considered to develop a feasible approach to design an integrated passage. This concept was applied to redesign a typical transonic fan, Rotor 67, and the results were analyzed by CFX. It is shown that the passage was adequately adjusted in all three dimensions and reduced the strength of shock wave and wake-induced flow. In particular, the secondary flow was appropriately reorganized and the corner separation was well controlled in the end wall region, leading to significant improvements in adiabatic efficiency and diffusion.     

三维翼跨音速守恒型全位势流高效差分算法的应用

本文对跨音速守恒型全位势流,用Holst的高效有限差分算法,研制出分析三维翼跨音速流的实用程序。与Holst的TWING程序不同,本文用快速保角转绘生成二维正交O型贴体坐标网格,并以此为基础构造三维贴体坐标网格,因而节省网格生成的机时。本文不仅将方法用到有中等后掠的厚翼,还提供大后掠大根梢比薄翼的计算经验。对根梢比很大,前后缘后掠角相差非常大的机翼,指出本算法的困难,并分析了困难原因。     

基于小波奇异分析的流场计算方法及应用

首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算,发展了一种高效率、高精度、高分辨率的方法.该算法的核心是获取流场中物理量在不同空间点的Hlder指数α,而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维(即二维或三维)小波分析技术.在三维与二维欧氏空间中,为进行小波多分辨分析,需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基.对二维问题,尺度基与小波基的基底要由1个尺度函数与3个小波函数组成,而三维时要由1个尺度函数和7个小波函数组成.借助于小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域与光滑区域,便可分别选用高分辨率、高精度的WENO(weighted essential non-oscillatory)格式与高精度中心差分格式进行流场的离散求解.一系列二维(即,①二维前台阶问题的Euler流;②二维双马赫反射的Euler流; ③著名的二维Riemann问题;④跨声速RAE2822翼型二维绕流; ⑤跨声速VKI-LS 59二维涡轮叶栅绕流)与三维(即,⑥跨声速轴流压气机转子NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37三维黏性绕流;⑦跨声速风扇转子NASA Rotor 67三维黏性绕流)算例表明:该方法的计算效率比传统的WENO格式有较大的提高,大部分典型算例能够提高3~5倍,而且可以获取复杂流场中高分辨率的激波结构以及涡系分布,可以得到与有关实验数据较为吻合的数值结果.      

应用于跨声速旋翼气动声学计算的两种时域方法的比较

高速脉冲噪声(HSI)与流动非线性效应密切相关,是跨声速旋翼的主要声源之一。采用理论分析和数值实验相结合的方法,对预测HSI噪声的FfowcsWilliams-Hawkings方法(简称FW-H方法)和Kirchhoff方法进行了比较和分析。理论分析从两种方法的控制方程出发,采用广义函数方法对方程源项进行整理和比较,证实在线性区域Kirchhoff方程可视为FW-H方程的有效近似。数值实验以UH-1H悬停旋翼跨声速气动噪声计算为例,由三维Euler方程数值模拟提供近场气动数据,并在同一控制面上分别采用FW-H方法和Kirchhoff方法对远场噪声进行定量预测。计算结果表明,如果适当构造控制面,2种方法均能有效地预测跨声速旋翼非线性HSI噪声。进一步研究了控制面位置及控制面上物理参数时间导数计算精度对计算结果的影响,发现控制面位置对Kirchhoff方法计算结果具有决定性的影响,而控制面上物理参数时间导数的计算精度对FW-H方法计算结果具有重要影响。