基于N-S方程的非定常地面效应研究

研究了二维翼型在移动地面和固定地面条件下的地面效应及流动特性问题.流场求解采用雷诺平均N-S方程,湍流模型采用k-ω和SST模型.对NACA0015对称翼型在离地速度为1 m/s情况下的非定常绕流进行了计算,选取移动地面条件下不同高度的定常解与非定常计算结果进行了比较.结果表明,考虑非定常效应时升力和阻力的变化明显小于定常解的结果,相对而言力矩的差别较小,固定地面条件下的升力系数和阻力系数略大于移动地面条件下的计算结果.     

多段翼型地面效应数值模拟与分析

通过数值模拟方法研究多段翼型的地面效应,采用有限体积法求解质量加权平均平均Navier-Stokes(N-S)方程,湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型,采用滑移壁面模拟地面的相对运动.计算结果分析表明:随着飞行高度的降低,多段翼型的升力、阻力和低头力矩均减小;升力系数的减小主要是由于地面效应引起...     

多段翼型地效风洞实验的地板边界层控制研究

采用有限体积法求解雷诺平均N-S方程和SSTk-ω两方程湍流模型,数值模拟二维多段翼型在不同风洞地板边界条件下流动,并对固定地板边界层吹吸气控制技术进行了数值研究。计算结果分析了地板边界条件对多段翼型气动力、表面压力分布及流动结构的影响,证明了吹吸气控制技术可以有效减小地板边界层厚度,并对均匀吸气与切向吹气两种方法的特点进行了比较。     

二维地效翼波浪面失速特性研究

为了研究地效翼在波浪面下的失速特性,采用FLUENT商业软件求解非定常不可压N-S方程和k-ω/SST湍流模型,对二维NACA0012翼型在波浪地面下的流动进行了数值模拟分析。通过与平地面下地效翼失速特性进行对比分析,揭示了机翼在不同波浪地面下的失速特性。研究结果为地效飞行器的设计和优化提供了理论依据。     

用转捩模型预测转捩及确定最佳粗糙带高度

采用SST k-ω二方程湍流模型,附加γ-Reθ转捩模型对不同迎角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算预测的转捩位置与实验结果符合较好,说明γ-Reθ转捩模型对转捩位置具有较好的预测能力。进一步用模型对带有粗糙带的翼型进行转捩预测,获得了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,对固定转捩风洞实验有指导意义。     

用二维N—S方程计算汽车流场的地面效应

采用有限体积方法求解了Navier-Stokes方程,计算了绕二维类汽车物体的绕流并研究了地面效应。在非正交网格系统上以强守恒形式构造出有限体积方程,采用压力校正算法来求解所得到的方程。对于湍流情况,采用了双方程模型的κ_ε模型。 为了验证采用本程序计算移动壁面效应的正确性,本文给出了Couette流动的计算结果。 本文也给出了汽车绕流的计算结果,它包括层流情况,从汽车头部开始由层流转为湍流的混合流动情况及湍流情况。对于每一种情况都比较了移动壁面的计算结果和固定壁面的计算结果。     

固定转捩和自由转捩流动预测方法验证

采用固定转捩位置和基于SST k-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型自由转捩模拟两种方法研究了RAE2822翼型流动转捩问题。先采用γ-Reθt转捩模型确定转捩位置,再采用所获得的转捩位置实施固定转捩位置计算,并与全湍流计算结果和其他软件计算结果进行了对比。表明两种方法均能有效捕捉超临界翼型流动转捩现象,固定转捩位置模拟结果基本上重现了自由转捩预测结果。     

地效翼地面粘性效应风洞试验研究

为深入研究地面效应机理及地效翼空气动力特性,在同济大学上海地面交通工具风洞中心的空气动力-气动声学风洞内对地效翼模型进行了风洞试验。首先,根据地效翼空气动力特性及风洞试验能力,对风洞试验进行了设计;其次,在风洞试验中利用移动路面模拟系统和六分力天平测量系统,研究了地面粘性效应对地效翼空气动力的影响和地效翼空气动力特性。研究结果表明:固定地面附近边界层流动不仅与地效翼的高度有关,还与迎角有关;与移动地面相比,固定地面下测得的升力和阻力偏低,且由于固定地面边界层受气垫效应影响,失速延后。通过地效翼风洞试验研究揭示了移动路面模拟的重要性,并深入分析了地效翼空气动力特性,为地效飞行器空气动力设计和研究提供了参考。     

TRIP2．0软件湍流模块的开发与确认

基于TRIP2.0_SOLVER数值模拟软件,开发了湍流模型方法库,目前该CFD软件中集成的湍流模型主要包括B-L代数湍流模型、SA一方程模型和SST两方程模型.为了考核不同的湍流模型工程适用性,本文采用对接网格技术,通过有限体积法数值离散三维任意坐标系下的RANS方程组,应用LU分解、MUSCL差分格式和低雷诺数SA和SST两种湍流模型,数值模拟了二维NLR-7301两段翼型和三维DLR-F6翼身组合体的绕流流场,计算与试验比较的内容包括了表面的压力系数分布、典型站位的速度型和气动特性曲线等内容.通过计算与试验的比较,在本文的计算范围内,采用两种湍流模型均可以得到与试验结果相吻合的压力分布和升力曲线,但在边界层内的速度型、粘性阻力和力矩特性等方面,不同的湍流模型具有明显的差异.     

基于CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟

建立了一套基于非结构网格技术和动量源模型的直升机旋翼计算流体力学(CFD)方法,用来模拟贴地飞行时直升机旋翼非定常气动特性。其中,控制方程采用三维Navier-Stokes方程,空间方向上采用Jameson格式,时间方向上采用五步Runge-Kutta迭代法,选用Spalart-Allmaras湍流模型。旋翼对流场的作用采用动量源项模拟,为更真实地模拟地面效应(IGE)的作用,采用了"移动地面"的物面边界来代替常规的"固定地面"边界,并对旋翼附近及旋翼与地面之间的网格进行加密处理,以提高地面涡的捕捉精度。考虑实际飞行环境下旋翼的运动和操纵,在流场计算时考虑旋翼配平特性。其中,配平方程的旋翼气动力通过CFD方法和动量-叶素组合理论模型的耦合计算给出,为了提高配平方法的鲁棒性和效率,提出并建立了基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。运用所建立的方法,首先,选用有试验结果可供对比的算例计算了地面效应作用下的旋翼拉力增益、功率变化,验证了计算方法的有效性,解决了涡流理论方法较难模拟的"小速度前飞旋翼需用功率突增"问题。然后,着重研究了UH-60A直升机旋翼在不同离地高度、不同前进比状态,旋翼需用功率、诱导速度、地面涡及旋翼操纵的变化规律。计算结果表明:地面涡出现在较小的前进比范围内,随前进比的增大,地面涡在纵向平面将顺来流方向移动,在轴向方位靠近地面方向移动,直至最后不断减弱消失。     

Ф3．2m风洞活动地板系统研制

目前在风洞中通常采用固定地板和活动地板两种模拟方法开展飞行器地面效应研究，确定地面效应影响量大小。采用固定地板模拟地面时，由于存在地板边界层，不能真实模拟飞机近地飞行状况。采用活动地板模拟地面时，由于活动带运行速度和方向与来流一致，在活动地板表面不存在边界层，可以真实模拟飞机近地飞行状况，提高地面效应试验数据的精准度。介绍了Ф3．2m风洞活动地板系统的研制情况，对活动地板系统的组成、结构形式、主要技术指标等作了简要介绍。YF-16模型试验结果表明：Ф3．2m风洞活动地板试验系统的性能指标达到了设计要求，活动带最大运行速度为60m／s；活动地板和固定地板两种模拟方法获得的地面效应试验结果存在较大差别，差别大小随地板高度和飞机姿态角变化而变化。     

一种包含运动边界的高精度流场数值计算方法

为了准确快速地模拟运动边界的流场,提出一种反馈力源形式的包含运动边界的非定常流场数值计算方法。该方法采用完全正交的网格,以反馈力源作用点的运动来模拟边界的运动。采用物理量及其各阶导数在边界两侧的突跃修正中心差分格式,使之达到二阶精度,以此离散求解二维不可压Navier-Stokes方程。并且提出了与运动边界相适应的反馈力源构造方法及对边界上速度进行插值的方法。基于此数值计算方法,对低雷诺数的圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱以及昆虫振翅运动的二维非定常流场进行了数值计算,计算结果与以往的数值及实验结果非常吻合,表明本文方法与Peskin的浸入式边界方法在处理运动边界问题时具有同样的高效率,且精度高于浸入式边界方法。     

采用近似边界求解壁板颤振的CBS有限元算法

为了简化Euler方程求解壁板颤振问题,将近似边界条件成功地推广到CBS(characteristic-based split)有限元方法求解壁板颤振领域,把运动壁面的影响转化为Euler方程的边界条件,避免了对动网格的处理.通过对近似边界方法、动网格方法以及3阶活塞理论的数值模拟结果进行对比发现:首先,加载近似边界的CBS有限元方法操作非常简便,且模拟结果与动网格方法完全吻合;其次,Euler方程可以准确捕捉到壁板前后两端不光滑尖点所引起的压力突跳,而3阶活塞理论则无法做到;最后,采用近似边界的CBS有限元方法在求解无黏可压缩流动中细长体小变形的流-固耦合问题上具有潜力和优势.      

地效翼风洞试验支架干扰数值分析

对地效翼移动地面风洞试验研究中的支架干扰进行了数值模拟和分析。分别对独立地效翼,带支架的地效翼及独立支架进行了数值模拟,计算采用可实现的κ-ε模型,通过求解定常不可压N-S方程,得出地效翼及支架周围流场分布情况。对几组计算结果比较分析了支架和地效翼的空气动力及由于干扰引起的空气动力,发现支架与地效翼之间的相互干扰随着地效翼迎角的增大而增强,如果忽略流动干扰造成的空气动力变化,地效翼升力误差很小,但阻力误差相对较大。同时对有干扰下和没有干扰下的流场进行了对比,分析了支架对翼尖涡流动及绕机翼流动的干扰。翼尖涡在地效翼翼尖附近的发展在0．5犮范围内基本不受支架的干扰;除支架对流场产生干扰外,移动带区域以外的固定地面附近粘性流动也对绕地效翼流动有一定的影响。本研究分析了风洞试验结果的可靠性,为地效翼风洞试验优化设计和地面效应风洞试验研究提供了参考。     

非定常预处理方法在倾转旋翼飞行器悬停状态气动干扰模拟中的应用

针对倾转旋翼飞行器的多种速度尺度并存的复杂流动问题,发展了能够统一求解同时包含不可压缩流动和可压缩流动的非定常预处理方法和一种考虑了流场物理信息传播方向的预处理远场边界条件。结合适用于倾转旋翼飞行器的复杂外形及大位移问题的非结构混合网格技术和重叠插值技术,建立了倾转旋翼飞行器的数值模拟方法。在此基础上,首先通过悬停算例验证了数值方法的有效性,确定了选择预处理截断参数的原则。然后探究了倾转旋翼飞行器直升机模式悬停状态的尾迹涡结构演化过程,研究了“喷泉效应”和“地面效应”对倾转旋翼气动性能的影响。计算结果表明,旋翼尾迹涡的耗散在不同方位角存在较大差异。“地面效应”抑制了旋翼尾迹的发展,提高了旋翼整个方位角区域的升力系数,而不仅限于机翼上方方位角区域。 “地面效应”作用强于“喷泉效应”作用,使旋翼相对于孤立旋翼拉力系数略微增大了5.26%,但同时整个倾转旋翼飞行器的总的向上的力只有孤立旋翼拉力的82.46%。结论表明预处理方法和预处理远场边界条件能够较好地模拟倾转旋翼飞行器悬停状态的干扰流场,兼顾了数值计算的耗散性和稳定性。气动干扰对倾转旋翼飞行器整体气动性能有重大影响。      

翼型表面结冰准定常数值模拟

对翼型表面的结冰过程进行了准定常数值模拟。在每个时间步长内完成网格随着壁面边界的移动而更新、周围流场和水滴撞击特性重新计算、冰形计算及壁面边界的重构工作,如此循环直至所需的结冰计算时间。采用拉格朗日轨迹追踪法获得水滴撞击特性,应用考虑壁面粗糙度影响的边界层积分法计算壁面的对流换热系数,在此基础上求解Messinger结冰热力学模型,冰层始终沿壁面外法线方向生长。对NACA0012翼型在不同环境下生成的三种典型冰形进行了预测,并与实验结果进行了比较,表明本文所述方法的有效性。     

船尾形状对旋成体马格努斯效应的影响

尖头旋成体和船尾形状是子弹、炮弹及火箭弹等抛射体上常用的布局形式。研究表明船尾布局具有减小底部阻力、增大射程的作用,但此时旋成体的马格努斯效应增大,对运动稳定性产生不利影响。为了解释这种流动现象,对三维旋转弹流场进行了数值模拟,对从亚声速到超声速下的旋成体马格努斯力和力矩进行了分析,重点对标准形状和船尾形状两种底部进行了比较。结果表明,相对于标准形状,在所有来流下船尾形状都起到了增大马格努斯效应的作用,并且马格努斯力和力矩与船尾角成正比。为了揭示其流动机理,选择代表性计算状态对两种布局马格努斯力矩系数分布、边界层厚度分布和边界层位移厚度分布进行了对比分析,结果表明,在亚跨声速下船尾马格努斯效应由绕拐角的加速流动引起,使当地压力系数幅值增大;在超声速下船尾马格努斯效应由船尾段的气流膨胀引起,使旋成体左右两侧的边界层位移厚度畸变增大。上述两种效应都使马格努斯力矩增加,对于亚声速流动来说,该效应发生在柱段与船尾段连接位置;对于超声速流动来说,该效应发生在连接点以后的船尾段上。当来流速度在声速点附近时,上述两种效应都可能发挥作用,使船尾形状的旋成体马格努斯效应大幅增加。     

抛物化Navier-Stokes方程在求解高超声速流动稳定性分析 的基本流中的应用

通过在边界层内部使用边界层上缘的流向压力梯度代替该处的流向压力梯度,对传统抛物化Navier-Stokes(PNS)方程求解中的流向压力梯度的处理方法进行改进,从而使它可以求解用于稳定性分析的高超声速流动的基本流,并分别计算了平板、零攻角钝锥和小攻角钝锥三种典型算例.对于流向没有分离,且横向流动不强的流动,使用PNS方程计算高超声速流动稳定性分析用的基本流是可靠的.特别是改进后的方法求得的基本流的稳定性分析结果与直接求解Navier-Stokes(N-S)方程的结果非常吻合,但计算的时间消耗和空间占用都减少了一个数量级.     

尾翼攻角对斜背式轿车气动力特性影响的研究

以简化的斜背式轿车模型为研究对象,以商用计算流体力学软件STAR-CD为工具,利用移动边界条件进行三维数值模拟,计算了加装尾翼前和加装尾翼后两种车速下的车身阻力系数和升力系数,并通过与试验结果的对比,验证了数值计算结果的正确性。计算结果表明,尾翼的加装可以改善尾流结构,从而使气动力特性得到改善。     

动能BGK算法在近连续流模拟中的应用

首先比较详细地介绍了动能BGK算法的基本思想,然后应用该算法,数值模拟了克努森数(Knudsen number)为0.0001～1.56,马赫数为1.96绕圆柱的二维粘性流动,研究了滑移边界条件和无滑移边界条件对圆柱阻力的影响,通过与实验结果[5]进行比较,验证了文献[1]关于由连续流到自由分子流的这种流动模型的划分.计算结果表明:采用滑移边界条件,直到克努森数为0.3,计算得到的阻力与实验都符合得很好.因此,采用BGK算法加滑移边界条件,能够模拟由连续流到近连续区的流动.