用有限元显式算法解具有烧蚀动边界的传热问题

本文借助于运动坐标系用显式有限元算法求解烧蚀动边界的传热问题。通过坐标变换,在变换平面内确定固定的有限元结点,物理平面内对应的结点随边界的烧蚀而运动。在线性插值函数模式下温度的时间导数在三角形单元中处处相等的假设下导出有限元方程的显式计算格式。对横观各向同性材料的端头帽在再入飞行中的烧蚀和瞬时温度场的计算结果与用有限差分法计算的结果相互吻合。     

在烧蚀条件下固体火箭发动机复合喷管的温度预示

本文探讨了由石墨和高硅氧-酚醛组成的固体火箭发动机复合喷管,在考虑热解炭化和烧蚀引起喷管内型面变化条件下的瞬态轴对称二维温度场.借用当量热容的概念和坐标变换的方法,应用单元体能量平衡原理,在内点用显式格式,边界结点用隐式格式进行数值求解,这样的计算比较简捷,所得温度场与实验结果作了比较,说明本文的预示方法是可以符合工程精度要求的.     

结构动力学方程的显式与隐式数值计算

从理论上详细推导了动力学方程的显式隐式时间积分数值计算方法,针对经典中心差分格式在求解阻尼结构计算效率降低的问题,研究提出了一种新的显式积分格式,理论证明该数值积分格式能够处理各种复杂阻尼状态而不降低计算效率。对于不同的时间步长通过设定调节加速度参数,能得到比经典显式计算格式和NEWMARK逐步时间积分更高的精度,最后通过数值算例对三种计算格式的理论分析进行了验证。     

强迫耗散非线性发展方程与完全平方守恒格式

从描述大气和海洋运动的强迫耗散非线性发展方程出发，对强迫耗散非线性大气和海洋方程组显式差分格式的计算稳定性进行了分析，构造了一类强迫耗散非线性发展方程的显式准安全平方守恒差分格式。理论分析和数值试验证明，这类显式准完全平方守恒差分格式是计算稳定的，值得推广应用。     

三维层流分离流动Navier-Stokes方程的数值解法

本文研究了配平翼和直角板的三维层流分离流动。利用反扩散的显隐式差分格式和显式混合差分格式对N-S方程和简化N-S方程作了计算,求得了流场的物理量分布。与已有数值结果比较,本文的结果是满意的。     

烧蚀外形三维粘性流场数值模拟

本文通过求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了三维奶头型烧蚀外形粘性流场。差分格式为Yee和Harten的迎风隐式TVD格式,在空间方向具有二阶精度。计算得到了高质量的激波和合理的流场结构。物面压力分布与实验结果进行比较,符合较好。     

高超声速三维碳—碳烧浊流场的数值研究

本文针对高超声速再体的烧蚀现象 ,利用简单隐式TVD差分格式和激波捕捉法 ,数值求解三维化学非平衡Navier Stokes方程 ,其中化学模型是碳 碳 (C C)空气化学模型 ,考虑 12个化学组分和 31个化学反应过程 ,研究了C C烧蚀对再入体头部区域的壁面温度和热流分布的影响。为了计算效率和稳定性提出壁面条件显式处理的方法。对再入高度为 6 5km和速度为 8km/s的再入体头部区域烧蚀流场进行了数值模拟 ,用飞行迎角α =0°的计算结果与国外文献进行了比较 ,符合得较好。同时给出了三维小迎角α =5°的计算结果     

气动计算中一个简单有效的差分格式

本文采用算子附加修正方法,提出了一个气动计算中简单而有效的差分格式。此差分格式的特点是保持原显式格式的精度,计算过程有显式格式的简单,又有隐式格式的特点,即对于任意步长此格式都是稳定的。本文利用此格式求解了N-S方程,给出了二维激波与边界层干扰的分离流计算结果,并与MacCormack的隐式格式进行了比较。计算结果表明,本文提出的格式与MacCormack隐式格式相比,大大简化了计算过程,节省了计算机时。     

固体火箭发动机喷管喉衬动边界条件下的温度场计算

本文探讨了固体火箭发动机喷管喉村在烧蚀退移、燃气中固体微粒的沉积以及沉积物吹除所引起的动边界条件下的温度场数值计算模型。模型的建立以有限体积能量平衡的基本原理为依据,采用有限差分的数值计算方法及稳定性较好的交替方向隐式格式求解。为确保数值计算结果在边界退移及网格脱落时的稳定性,采用了插值与迭代相结合的方法,以全隐式格式求解表层网格节点和受热壁面的温度。模型还考虑了多层背村材料结构、变物性材料特性等诸种因素,使之具有一定的普遍性,并可应用于工程设计和研究中。数次发动机实验证明,本文提出的温度场计算模型能够较真实地反映喉衬温度响应,具有较为满意的计算精度。     

固体火箭发动机喷管喉部在烧蚀情况下温度场的理论预示

本文对喷管温度场计算提出了一个适用于工程设计的比较简单而有效的方法.文中的计算考虑了在燃气的对流与辐射加热情况下,喷管材料产生烧蚀、移动边界、且对流换热系数及材料物性参数都随壁温变化的情况采用有限差分的数值计算方法,对喷管温度场进行了理论预示,得到满意结果.     

烧蚀外形方程差分计算方法研究

分析了烧蚀外形方程的性质,研究了人工粘性项对烧蚀外形计算结果的影响,发现人工粘性在抹平非物理波动的同时,会严重影响计算精度.借鉴于CFD中NND格式的思想,构造了求解烧蚀外形方程的无波动、无自由参数的耗散差分格式,得到了满意的计算结果.     

基于时间精确自由尾迹方法的旋翼非定常 气动特性分析

 给出了一种显式修正的二阶向后差分格式(PC2B)的时间精确自由尾迹算法,用于分析旋翼非定常气动特性。由于旋翼自由尾迹控制方程具有非线性特征,求解过程中易产生数值不稳定性问题,因此本文推导了修正PC2B算法的修正方程,分析了该算法的求解精度和数值稳定性,并通过数值试验对其稳定性和计算效率加以验证及分析。基于该算法,首先对悬停和总距突增时旋翼非定常气动特性进行了计算,通过与试验结果的对比验证了模型的有效性;其次研究了总距操纵时旋翼非定常气动特性的变化规律。研究结果表明,旋翼自由尾迹几何形状的瞬态变化是造成总距操纵条件下旋翼非定常气动特性波动的主要原因。     

热传导方程有限差分区域分裂：显—隐算法的注记

把Rodrigue和Wolitzer（1995）提出的一种新型显格式应用于热传导方程有限差分区域分裂算法的内边界点,并得到这类显—隐算法的收效性结果。新算法的逼近阶较好,而且较纯新型显式方法可以节省一倍左右的计算量。     

再入飞行器端头沟槽问题分析

在分析对比再入飞行器端头再入环境和回收残骸烧蚀情况的基础上,通过地面低熔点模型的模拟试验以及对高熔点材料吉林陨石经过大气层后烧蚀现象的考察和分析,本文认为,控制再入飞行器端头防热层烧蚀现象的主要参数是端头边界层的雷诺数,端头防热层上出现的沟槽现象是边界层转捩区域中的一种烧蚀现象。从回收残骸结合再入轨道分析,可以推断再入时烧蚀转捩雷诺数;并且,对沟槽现象的深入研究将有助于进一步认识有烧蚀情况下边界层的转捩问题。     

多变飞行状态下考虑热辐射时结构非定常温度场的计算

本文讨论了变高度和变速度飞行状态下飞行器结构的非定常温度场的确定。采用了稳定性, 收敛性良好的差分型式。对相同的空间间距, 在保证同样的计算精确度的情况下, 可选取较显式差分方程大得多的时间间隔。对时间间隔选取问题作了讨论。考虑了热辐射的影响, 进行了线性化, 并对线性化的条件及引起的误差问题作了讨论。在数例中计算了三角形机翼结构内的三元非定常温度场。     

跨音速喷管化学反应流数值模拟

用时间相关的半隐格式有限差分数值方法求解了化学非平衡反应跨音速喷管流场，在喷管收敛段，流动接近化学平衡状态，控制方程的刚性问题严重，数值积分困难。通过对时间差分项隐式离散、对空间差分项显式离散，流场边界采用参考平面上的特征线法计算等，成功地解决了由于化学反应有限速率带来的数值解不稳定问题。该格式简单、需要计算机存贮空间少。本文完成了一维和轴对称非平衡化学反应喷管流动计算，并与化学平衡流和冻结流的计算结果做了比较。     

用虚拟黏性法构造Navier-Stokes方程黏性项的隐式格式

提出的虚拟黏性法是一种关于Navier-Stokes方程黏性项(黏性应力项和传热项)的隐式新方法。通过引入虚拟时间和虚拟黏性项,将隐式格式的构造大大简化,从而避免了大型复杂隐式差分方程组的常规求解。在虚拟时间推进过程中所需求解的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵,它具有计算简单且计算量小的优点。用模型方程和Navier-Stokes方程进行了数值仿真,研究各种参数对计算的影响,并在精度和效率上与显式方法进行比较,证实了算法的正确性和优势。最后分析了本文格式的适用范围。     

烧蚀传热体有限元法

本文介绍一种适合于烧蚀传热特点的简便和实用的有限元法。首先从能量守恒原理出发,建立带有导数的有限元素方程,然后介绍了采用伽辽金(Galerkin)法对时间域进行有限元离散而得到的各种格式。 为了解决烧蚀移动边界问题,采用了在动坐标系上建立有限元素方程。 用本方法对典型问题进行了计算,并与理论解、差分解进行了比较,对方法作了初步讨论。本方法应用实例是高速飞行器轴对称端头再入烧蚀体的传热计算。     

高超音速流场与结构温度场耦合计算

采用松耦合方法对高超音速流动与结构温度场进行耦合计算。流场空间离散采用AUSM+格式,时间离散采用隐式LU-SGS方法。结构温度场求解采用控制容积法。分析了高超音速圆柱表面热流和结构温度场的变化。通过与实验结果对比表明了本文流固热耦合计算方法的准确性。     

用隐-显法解超音速紊流流过凹角的分离流动

众所周知,用显式的差分格式对时间相关的N-S方程求数值解时,时间步长须受稳定性条件的限制,计算效率较低。特别是在紊流附面层中,近壁面的节点必须位于粘性底层内,网格间隔十分小,由此确定的计算步长亦十分小。因此,欲达到稳定状态的结果要耗费大量的机时。本计算在近壁面的法线方向上的细网格区采用了守恒的“delta”形式的隐式格式,而在其余地区及流向方向仍采用MacCormack的两步显式格式,从而提高了计算效率。为了减小非线性振荡,还采用了[2]所提出的开关函数,取得了很好的结果。