可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

湍流模型对叶片表面换热计算的影响

为了比较湍流模型对涡轮叶片外换热计算结果的影响,采用五种湍流模型及两种壁面函数计算了NASA-MarkII导向叶片表面换热并与实验数据进行了对比,结果表明:在相同边界条件下不同湍流模型的计算结果有很明显的差别,即使是同一种湍流模型,如果采用不同的壁面处理函数其计算结果也是有很大差别的;某些湍流模型的计算值只是在某个区域较为理想,还不能找到在整个叶片表面计算结果与实验数据较为接近的湍流模型.在尚无普适性较好的湍流模型的情况下,研究在不同计算域采用不同湍流模型和壁面处理函数的计算技术,是一种较好的可行的方案.      

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法

提出了一种具有鲁棒性的间断界面浸入边界法，用来模拟不可压湍流的物体绕流问题。开发了一种新的OpenFOAM求解器，该求解器结合了压力隐式分裂算法和k-ωSST湍流模型求解Navier-Stokes方程。为了减少对近壁面网格的要求，在实施边界条件时，采用壁面模型计算得到的壁面剪切力将速度和湍流变量修正联系起来。壁面切应力采用远离壁面的镜像点求得，镜像点上流场变量通过反距离线性插值由周围流场信息得到。使用该求解器模拟了平板绕流、NACA0012表面压强和切应力分布、Buice扩散管、圆柱绕流、方柱绕流5个湍流流动问题，本文数值模拟结果与文献结果有较好的一致性，验证了该方法模拟湍流流动的有效性和准确性。     

惯性颗粒和壁湍流的相互作用:湍流调制及颗粒分布

直接数值模拟壁面湍流与惯性点粒子方法被用来研究粒子对湍流的调制机理以及粒子在湍流场中的分布.由于在壁面湍流中,内层(约为y+<100,y+为黏性尺度下的壁面垂直方向坐标)与外层(约为y+>100)中存在着两种特征结构,即内层中的大尺度结构(large-scale structures,LSMs)与外层中的超大尺度结构(very-large-scale structures,VLSMs),这两种特征结构控制着壁面湍流的动力学过程.因此研究方向主要是探究粒子与LSMs以及VLSMs之间的相互作用:即通过研究粒子惯性效应对LSMs主导的湍流内层自维持过程来解释不同惯性的粒子导致湍流增强或减弱的原因;通过研究粒子惯性效应对VLSMs主导的湍流外层的调制,提出粒子的惯性效应导致VLSMs增强的直接与间接机理.同时,通过人为控制LSMs和VLSMs与粒子分别耦合来研究这两种特征结构的存在导致的粒子聚集与群聚行为.最后,推导了惯性粒子沉积速度的控制方程,用于分析控制粒子沉积速度的关键因素.     

可压缩湍流边界层壁面函数方法综述

以建立工程实用的高超声速湍流边界层模拟方法为目标,从湍流壁面函数是湍流边界层方程近似解的角度,梳理了相关文献的研究工作,得到如下认识:1)壁面函数与所求定解问题数值解的相容程度决定了壁面第一层网格允许放粗的程度,在流动分离点和再附点附近区域,目前壁面函数尚需进一步完善,而“子网格”壁面函数从理论上解决了相容性问题,尽管要耗费更多计算资源,但在目前计算资源相对充裕的条件下,仍不失为一个解决问题的途径;2)对于具有强压缩性和显著气动加热的高超声速湍流边界层流动而言,常用的解析形式并未充分考虑可压缩性和传热的影响,并在文中进行了重点探讨。最后,建议基于数据驱动技术和依托“子网格”壁面函数方法来发展更加普适的壁面函数。     

二维旋转湍流边界层内气固两相流动的数值模拟

本文用修正的ＤＯＲＯＤ－ＦＥＭ方法对不可压流体二维旋转湍流边界层进行了数值模拟，得到了与实验数据较符合的边界层形状因子和壁面摩擦系数的计算结果。采用单向耦合（Ｏｎｅ－ｗａｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）方法，计算了固粒在湍流边界层和无粘流中的运动轨迹，给出了壁面被固粒撞击后的冲蚀磨损分布，分析了近壁流场性态与壁面冲蚀磨损的关系。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

壁面粗糙度湍流扩展模型及流动数值模拟

采用有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes流动控制方程,数值模拟表面粗糙度对气动特性和热力学特性的影响。通过修正Knopp的基于切应力输运k-ω湍流模型的粗糙度湍流扩展模型中边界条件ω的值,提高了壁面附近的涡黏度,增加了总壁面切应力,从而引入壁面粗糙度的影响。通过对不同粗糙度的平板流动和NACA 65_2215翼型绕流进行数值模拟,分析粗糙度对表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数的影响。计算结果表明:粗糙度使得平板表面摩阻系数和斯坦顿数增大,翼型流动分离提前,升力系数减小。流经粗糙壁面的流动处于过渡状态时,改进的粗糙度湍流扩展模型改善了原模型速度偏移量与经验公式相比偏小的缺点,同时,表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数与实验结果吻合得更好。该改进模型不需要对壁面附近网格进行加密,能够快速、准确地模拟流经粗糙壁面的流动。     

不同排列方式多斜孔壁气膜冷却绝热温比研究

采用传热传质类比方法实验研究了4种孔阵排列方式(顺排、叉排、顺排+复合角及叉排+复合角)下多斜孔壁气膜冷却绝热温比。小孔与壁面夹角为30°,复合角为45°,孔阵排距比8.0,侧向间距比4.0,吹风比为1.94.比较了各排列方式孔阵绝热温比的分布规律,得出了较优的孔阵排列方式。      

低速槽壁风洞洞壁干扰研究

本文给出了DBM-01标模在西德宇航院3.25米×2.8米槽壁低速风洞的测力和洞壁静压测量结果。研究了主要槽参数(槽形式和开闭比)对洞壁干扰的影响,并与计算结果做了比较。文中的结论指出:槽壁对减小洞壁干扰效果明显;开槽壁不仅对减小纵向洞壁干扰有效,而且对减小横向洞壁干扰同样有效;实际的开槽效果较使用涡格法和等效均匀边界条件计算的结果小。     

大攻角试验半经验壁压信息洞壁干扰修正方法

提出用壁压信息洞壁干扰修正法,确定出大攻角典型试验状态的半经验修正系数,用它修正外形近似的模型大攻角试验其它状态的洞壁干扰。这样,模型大攻角试验的洞壁干扰修正既能接近壁压信息修正法的准确结果,又能如半经验修正方法那样简便。经两组模型试验数据验证,结果满意。     

圆柱绕流洞壁干扰修正研究

本文对阻塞比分别为１０％、２５％和３３％的二维圆柱模型在低速风洞中测量了其周向力分砷及相应的壁压信息，然后用壁压积分法进行洞壁干扰修正，结果表明修正方法简捷精确，在堵塞比为３３％时仍获满意的修正结果，对风洞实验洞壁干扰研究具有很好的实用价值。     

低速实壁风洞壁压信息洞壁干扰修正法

本文简要介绍、推导了低速实壁风洞洞壁干扰修正壁压信息矩阵法的出发方程组及其具体的解,给出了试验结果修正公式及本文方法的数值模拟检验和模型试验检验结果与分析,并对模型后掠角、攻角,模型安装偏离风洞轴线的影响,洞壁干扰轴向迁移加速度效应的修正和试验段长度影响等问题作了计算、分析和讨论。     

二维风洞侧壁干扰修正准则的改进

Barnwell二维风洞侧壁干扰修正准则未计及壁面摩擦影响,理论上是不完善的。本文对此作了改进。用Karman-Pohlhausen方法对侧壁边界层进行了处理;将壁面摩擦项用速度梯度适当表示出来,从而克服了因考虑摩擦项带来的困难。建立了修正准则的新形式。在改进的准则中摩擦影响是通过Pohlhausen型边界层参数Λ表示的,Λ绝对值越小摩擦影响越大。此外,文中对修正中有关参数,如δ~*的选取以及湍流情况作了简单讨论。     

小展弦比飞翼标模 FL-2风洞跨声速开孔壁干扰特性修正研究

为了满足现代风洞试验精细化要求,提高风洞试验数据精准度,开展跨声速开孔壁洞壁干扰修正方法研究。本文利用实测壁压信息构造开孔壁边界条件,通过求解 N-S 方程,模拟试验模型在风洞中的绕流场,建立基于壁压信息的跨声速洞壁干扰非线性修正方法。不同于线性修正方法,本方法可用于各种复杂外形飞行器的亚、跨声速开孔壁洞壁干扰修正,结合小展弦比飞翼标模风洞试验数据,对其在 FL-2风洞试验数据开展洞壁干扰特性研究。洞壁干扰修正结果表明,洞壁干扰量随马赫数变化呈增长趋势,Ma ＝1．0左右达最大,经过修正的 FL-2风洞的跨声速试验结果,与 FL-26风洞近似无干扰试验结果吻合良好。     

低速风洞横向开槽壁试验段性能的研究

为探索减小洞壁干扰的试验方法，用环境风洞做了二维横向开槽壁试验段性能的试验研究。槽壁由等宽度薄板条在相对模型的两侧壁以零攻角等间距排放而构成，通过测量圆柱模型周向的表面压力对槽板宽度、驻室深度、试验段长度，模型在试验段中的轴向位置等与槽壁试验段性能有关的参量做了试验研究。模型堵塞比一直到０．２５的试验结果与无干扰的参考曲线符合良好，结果表明低速横向开槽壁具有洞壁干扰小且结构简单的特点。     

柔壁自适应风洞低超音速实验技术研究

低超音速三维模型实验是在二维柔壁自适应风洞中进行的。将Wedemeyer理论推广到超音速流动,建立了洞壁调整量的计算方法;解决了洞壁预调量效应的计算问题。在此基础上提出洞壁自适应调整方案,它可用于堵塞比较大的模型实验和任意初始壁面。按此洞壁调整方案所作实验结果表明,二维柔壁自适应风洞作超音速三维模型实验时,可有效地抑制压缩、膨胀波经洞壁反射后对气动数据的影响。其消波效果和三维自适应壁风洞的消波效果基本相同,主激波反射的消波效果甚至优于后者。     

航空发动机主燃烧室火焰筒壁冷却的研究

概述了近年来国内外航空发动机燃烧室冷却方式的发展。重点论述了火焰筒壁温预测方法、三维壁温数值计算的控制方程、贴体正交网格和壁面函数的应用、计算辐射热流的蒙特卡罗法、三维计算域处理技术以及有高温涂层的壁温计算。调研表明,壁温预测技术对于未来高温升燃烧室设计而言,是有效、经济和实用的方法,对提高燃烧室寿命、飞行安全性具有重要意义。