基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

载流管道振动频率计算的有限元-传递矩阵法

基于有限元理论,考虑管道与流体的耦合作用,推导出了一种计算载流管道固有频率新方法一有限元一传递矩阵法。这种方法力学概念清晰,易于应用。采用这种方法计算载流管道振动频率,不随划分单元数量的增加而增加矩阵的维数。在自激振动情况下,传递矩阵维数恒保持为6维,计算简单,并能保证有较好的精度。采用文中所推导的有限元一传递矩阵法,计算了一段悬臂载流管道在4种不同工况下的前四阶固有频率,并将文中计算结果与已有文献的实验和有限元法结果作了对比,验证了文中所推导方法的有效性和正确性。     

粘性流体大幅晃动的ALE有限元模拟

采用有限元法数值求解了具有自由液面大幅移动边界的Navier－Stokes方程。对流体区域采用了任意的拉洛朗一欧拉（ALE）运动学描述，网格结点可以任意移动而不依赖于流体的运动，结合了拉格朗目描述易于处理移动边界与区域变形的优点和欧拉描述可克服单元缠结的优点，提出了简单合理的网格更新方法，能精确地跟踪运动的自由液面。为了更精确地处理强对流项的作用，采用了迎风流线Petrov－Galerkin（SUPG）加权余量法建立有限元方程。算例表明本方法对贮箱内流体的非稳态大幅晃动过程的数值模拟非常成功。     

基于流体速度势的非线性晃动问题的ALE有限元分析

基于流体速度势，本导出了非线性晃动问题的ALE有限元格式。通过引入ALE运动学描述，使网格的运动独立于流体的运动，通过采用与贮箱固连的非惯性参考系建立控制方程，使网格只须相对贮箱更新，因此运动边界和自由液面的跟踪算法不仅非常简单，而且不会引起网格畸变．本分别采用有限元法和有限差分法进行空间和时间离散，中的算例分别模拟了贮箱受横向激励和俯仰激励时流体的非线性晃动问题，所得结果证实了本方法的有效性与可靠性。中的方法还可进一步推广用于流体—结构耦合问题．     

固体推进剂药柱的近似不可压缩粘弹性随机有限元

采用Monte-Carlo粘弹性随机有限元法,分析了药柱的结构可靠度。针对固体火箭发动机药柱材料近似不可压缩的问题,基于Herrmann粘弹性有限元以提高计算的精度,考虑泊松比和松弛模量的随机性,采用拉丁超立方(LHS)技术计算了固体火箭发动机药柱结构的可靠度。算例表明该方法的有效性。     

运动激波与气泡串相互作用的多介质数值模拟

通过对激波和流体界面相互作用而诱导的大变形界面演化的数值模拟,验证了Level set 方法精确模拟多个流体界面的有效性.采用间断有限元Galerkin方法求解欧拉方程得到流场解,采用5阶WENO格式求解Level set方程追踪多流体界面,界面附近的边界条件由虚拟流体方法处理.对运动激波和两个气泡相互作用过程进行了数值模拟,得到了不同时刻的压力和密度等值线分布,并分析了计算域中两个气泡同是氦气泡,以及一个是氦气泡,一个是R22气泡情况下的计算结果.计算结果表明:利用多界面Level set方程可高质量地捕捉多个流体界面,处理3种多介质流场数值模拟问题.     

基于ALE／SUPG同步交替法求解流固耦合问题

该文基于预测一多步校正方法提出了流固耦合ALE／SUPG有限元同步交替求解法。流体动量方程采用SUPG有限元进行空间离散以消除对流项引起的数值振荡;时间域上的积分采用预测一多步校正（predictor—multicorrector）方法,对流体和结构同时进行预测;在多步校正的过程中对流体固体交替求解,从而在时间上达到同步推进。数值算例与Hughes,Chen等人的结果进行了比较,表明了该文方法的正确性。     

热环境

用有限元法改进热应力计算本文描写用有限元法决定结构元件中热应力的方法。方法中避免了计算必须有确切尺寸情况下进行。由于受热结构一般对空间分布温度变化的灵敏度差,所以可使用有效应力计算法,并从大网格有限元解得到应变。于是同细网格温度分布应力—应变—温度状态方程联用便得到细网格结果。这方法的有效性已在计算H3T航天机的垂直尾翼受模拟再入地球环境的热应力中得到验证。     

矩形渡槽槽体结构绕流流场数值模拟研究

基于二维非定常不可压缩雷诺平均N-S方程,采用RNG(renormalization group)k-ε两方程湍流模型,对矩形渡槽在空槽和满槽情况下的二维绕流特性进行了分析.计算网格为四边形结构网格,采用有限体积法对微分方程进行离散,应用SIMPLE算法解决压强-速度耦合关系.引入空腔流动研究成果对空槽和满槽风载体形系数基本相同的原因进行了理论分析,揭示了空槽时槽体内复杂的旋涡流动结构.     

飞行器气动热与结构传热双向耦合研究

高超声速飞行器热防护结构的设计优化取决于对于飞行器气动热环境与结构内部温度场的准确预示,两者之间的耦合作用对此有着显著的影响。本文针对典型圆管绕流问题开展高超声速非定常流动与热防护结构传热耦合的数值计算。流场部分求解基于量热完全气体的三维粘性可压缩流动Navier-Stokes方程,固体部分求解瞬态热传导及结构响应方程获得结构温度场、热应力及应变。耦合计算采用分区迭代方法,在流-固交界面上进行壁面热流与温度的数据传递,实现了流体与结构的耦合计算。以典型圆管前缘风洞数据对上述多场耦合分析方法进行了验证,结果表明激波位置与壁面热流的计算结果与风洞试验结果一致。基于该方法对典型翼面结构在不同来流马赫数条件下的结构力热响应的模态特征。该方法能够对高超声速飞行器的气动力热载荷与结构传热的规律进行预示,从而为飞行器热防护结构的设计优化提供设计依据。