等熵侧压诱导的超声速平板边界层二次流研究

为了揭示等熵侧压诱导的超声速平板边界层二次流的形成机理,基于建立的简化流场模型,结合小扰动分析和数值计算,研究了来流边界层马赫数不均匀分布因素对二次流形成的贡献。研究表明,侧压诱导的二次流是流场的平均行为,和瞬时的扰动与涡的相互作用无关。压缩波在主流和边界层中的传播特征不同,导致在侧壁压缩作用下主流和边界层流体压缩不均匀,从而产生了边界层流体相对于主流的横向运动;密度梯度和压力梯度矢量方向不一致,即流动的斜压性是流向涡形成和发展的一个重要因素。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰，平板边界层上形成分离区，又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游，引入小扰动的TS波后，扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时，扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析，研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现，激波的出现不同于一般的压缩波，在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的，此外，分离对扰动有稳定作用。     

周期性扰动对平板湍流边界层统计性质的影响

用IFA300热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了平板湍流边界层在施加不同频率的周期性吹吸扰动前后不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.在平板湍流边界层的固壁表面沿展向切割一条5 mm宽的窄缝, 在平板底部用扬声器从壁面向平板湍流边界层内施加不同频率的周期性吹吸扰动, 研究不同频率的周期性扰动在平板湍流边界层内发展演化的规律及对平板湍流边界层统计性质的影响.      

超声速边界层内小激波的数值模拟

本文通过有限差分计算求解了NS方程,对超声速二维平板边界层的非线性稳定性问题进行了模拟.流场的来流马赫数为4.5.平板从尖前缘开始,流场在前缘处产生一道前缘激波.数值计算模拟了边界层对成倍频关系的双频扰动波的吸收问题.通过计算发现,在一定频率下边界层内可出现小激波.计算给出了小激波的发展过程.     

超声速平板边界层中流向涡的生成条件

针对马赫数为4.5的超声速平板边界层,基于线性稳定性理论（LST）选取初始扰动组合,通过直接数值模拟（DNS）,计算了第一模态不稳定波扰动组合沿流向演化生成流向涡的过程。采用改进Omega-Liutex旋涡识别方法进行涡识别,结合流向不同位置截面的流线图,分析了流向涡的生成特性。根据流向涡在zy截面内的流线特征,提出了流向涡的生成条件,研究发现:流向涡可以直接通过一对展向对称的第一模态不稳定斜波扰动与基本流叠加得到,不是必须经过非线性作用。      

超声速边界层三维扰动引起小激波的数值研究

通过直接数值模拟的方法,研究了M=4.5的超声速边界层中三维扰动的演化。以某一剖面为入口,加入一个及一对三维T-S波,发现随展向波数的增加,扰动幅值的增长率逐渐减小,证实了M=4.5的超声速边界层中,当三维扰动达到一定幅值时会有小激波出现,为建立可压缩流动稳定性理论提供了依据。     

钝体边界层失稳特性分析

推导了适合可压缩二维/轴对称边界层的线性抛物化稳定性方程。在法向采用4阶中心格式,流向采用1阶向后差分,对线性抛物化稳定性方程进行离散。通过来流马赫数为4.5的平板与曲面边界层稳定性问题验证了程序的正确性。讨论了来流马赫数6的球钝锥边界层内,扰动波沿端头向下游演化的失稳特性。发现了一种新的失稳机制。     

亚/超声速楔状流层流边界层速度与温度相似解及拟合解

利用相似变换获得了楔状流层流边界层无量纲流函数的3阶非线性常微分方程,用Runge-Kutta法求解微分方程获得了不同楔形角楔状流层流边界层无量纲速度随相似变量的变化曲线;推导了亚声速和超声速楔状流层流边界层无量纲温度关于相似变量的2阶线性齐次和非齐次微分方程,获得了温度分布的通解,恒壁温条件下亚声速楔状流和绝热壁面条件下超声速楔状流层流边界层无量纲温度解析解及指数函数形式的拟合解.以楔形角为0为例利用相似变换研究了超声速条件下气体压缩性及黏度随温度变化等因素对层流边界层速度与温度的影响,得出不可压缩常物性与可压缩变物性条件下无量纲速度相对误差绝对值小于9.8%的结论.研究表明:Pr越大贴近壁面处无量纲温度变化越剧烈;超声速条件下壁温低于绝热壁温时黏性耗散作用可以使层流边界层气体温度从壁面到主流间出现先升高后降低的变化.      

圆柱尾迹影响平板边界层转捩的实验研究

利用氢气泡和染色液流动显示的方法,在水槽中研究了圆柱尾迹对平板边界层转捩的影响。重点讨论圆柱与平板的流向距离和法向距离以及圆柱直径等几何参数对边界层转捩的不同作用,发现平板边界层转捩开始点的位置由尾迹与边界层作用的初始位置决定,这一位置由圆柱与平板的相对几何位置来确定。转捩区长度与边界层内部流体性质、扰动强度等有关,同时也受到圆柱、平板相对几何位置的影响。对转捩区近壁二次涡的产生和演化进行分析,发现尾迹对平板边界层的扰动是通过在近壁面诱导二次涡并影响二次涡的后续运动来体现,二次涡及其演化是边界层转捩位置大为提前的重要原因。     

高超声速流场对自由流扰动波响应及边界层扰动波演化

采用高阶精度有限差分方法直接数值模拟了来流慢声波作用下的钝锥高超声速绕流瞬态流场,分析了自由流扰动波与流场的相互干扰,并应用Fourier频谱分析了边界层扰动波时域和空域演化.结果显示:弓形激波出现连续的“∽”变形,初始扰动被显著放大,边界层内外扰动模态存在明显差别.从空域(沿流线)演化来看,在球头附近低频扰动为主导模态,出了球头区,总扰动模态中的低频和高频成分比例迅速转变,高频模态成分显著地增大.至流场下游,大部分低频分量衰减,或者不再增长,边界层内仅存在特殊频率的不稳定波快速增长.从时域演化来看,比起其他模态,主导模态的发展对上游激励的依赖更大.无论时域还是空域演化,都存在模态竞争现象.      

Numerical simulation of viscous flows with adaptively refined Cartesian grid

Quadtree-based Cartesian grid was automatically generated from specified geometry.Adaptive refinements were performed according to geometric parameters and solution of flow field.An altered CCST (curvature corrected symmetry technique) approach was proposed to apply solid wall boundary conditions.Driven flows in a square cavity and flows around NACA0012 airfoil were simulated and compared with the result of published structured grid and stretched Cartesian grid.The results show that solid wall boundary condition are accurately applied by current altered CCST approach,while incompressible/compressible subsonic,transonic and supersonic viscous flows are adequately simulated with adaptively refined Cartesian grid.      

用于粘性可压缩流动数值计算的SIMPLE方法

对SIMPLE方法加以推广,使之适用于可压缩粘性流动的数值计算。采用非交错网格技术,推出三维任意曲线坐标系下可压缩形式SIMPLE方法的计算方程。对亚音速、跨音速及超音速等5个流场进行了数值计算并与有关文献及实验数据进行比较。      

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。     

用BGK格式对平面可压缩自由混合剪切流动的数值模拟

本文介绍了ＢＧＫ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ格式的构造与用有限体积法计算网络内宏观量的方法。文中还介绍了可压缩平面混合剪切层计算域在不同出口马赫数下的边界条件。然后将上述方法应用于四种不同情况的可压缩平面混合剪切层的数值模拟。还详细介绍了计算结果,并与其他方法所得的的结果以及实验数据进行比较。表明本文的结果较好,方法是有效的。     

可压缩后台阶流的数值模拟

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用Beam-Warming矢通量分裂格式以及vanLeer的矢通量分裂方法,分别通过Johnson-King及Baldwin-Lomax湍流模型对亚音速和超音速的后台阶流进行了计算,计算结果与实验符合较好。     

复杂区域内粘性流动的数值计算

本文应用原始变量法(SIMPLEC)计算了复杂区域内的不可压和可压缩流动问题。计算时,仍使用交错网格,但在求解动量方程时采用协变分量做为原始变量,有效地消除了在任意非正交坐标系下压力和笛卡尔速度分量不耦合而产生的压力波动。在压力修正方程中考虑了密度的影响并构造出一种密度的迎风格式,保证了计算的稳定与收敛,使之预示马赫数变化范围较大的流动成为可能。对由NACA65(12A10)10构成的平面叶栅、由NGTE10C4/30C50构成的平面叶栅的不可压缩流动和平面超声速缩放喷管进行了计算。结果表明,本方法有较好的收敛性和准确性,能够适用于从亚音速到超音速的流动场合,有一定实用价值。      

计算跨音速三维机翼非定常载荷的核函数法

 本文给出了在跨音速流动中,计算三维机翼非定常载荷分布的核函数法和计算结果。此方法是基于线化升力面理论,利用在亚、超音速情况下,联系载荷分布与下洗的积分方程的核函数,采用局部线化法来处理跨音速的非定常绕流问题。在计算中引进了线分布的冲波偶极子,并嵌入适当的正冲波边界条件。 我们从统一的超、亚音速核函数表达式出发,对亚音速区数值积分作了新的简便的处理,对于亚、超音速区相互的诱导下洗给出了自己的数值积分过程。我们算了三个例题,和文献上的数值符合较好。     

NPLS技术及其在高速飞行器气动研究中的应用

近年来,与高速飞行器相关的超声速/高超声速流动受到了极大关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验研究提出了挑战。纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）是2005年由作者所在的研究团队研发的非接触光学测试技术。它能够获得超声速三维流场的某个剖面的瞬态流动结构,并且具有较高的时空分辨率。目前,许多研究结果表明NPLS是研究超声速湍流的一项非常有效的技术。近年来,作者应用 NPLS 技术在超声速湍流研究中取得了较大的进展,并且基于NPLS开发了其它几种技术,比如基于 NPLS 的密度场测量技术（NPLS-DT）,能够获得超声速流动的密度场信息并还能进一步得到雷诺应力分布。本文介绍了NPLS技术并回顾了其在超声速边界层、激波/边界层相互作用等流动中的应用。由于能够获得雷诺压力和湍动能等统计量, NPLS技术有望在发展可压缩湍流模型的研究中发挥作用。     

叶轮机平面叶栅的气动设计及统流计算

通过全速势方程的数值积分，利用ＡＦ２格式，给出了一种用于叶轮机中叶栅型面的气动设计和绕流计算的便捷方法，对于稳态亚音速、跨音速及超音速流动均适用。与目前普及很广的、在超音区应用人工压缩性的方案相比，该算法有明显的优势。