旋成体轴对称跨声速全位势流的高效差分算法

本文用守恒型全位势方程,贴体坐标网格,对旋成体轴对称跨声速绕流的差分数值计算方法进行了研究;根据最佳收敛准则,提出了轴对称情形的AF2迭代算法,并将此算法应用于半球头柱体、弹体等各种外形的旋成体。与一般方法仅适用于亚声速自由流不同,本计算可从亚声速、跨声速自由流一直到低超声速自由流。计算结果表明,本文方法收敛快,与实验及其它方法的结果符合较好。     

一种基于特征关系式的预处理远场边界条件

高速可压缩流动的计算方法应用于不可压低速问题会因为当地速度和当地声速量级相差较大产生刚性问题并导致数值收敛困难。预处理方法引入预处理矩阵使传统的可压缩方法具备了求解不可压或低速问题的能力。由于预处理方程改变了Navier-Stokes方程的特征值,原Navier-Stokes方程的远场边界条件不再适用。目前被广泛使用的预处理方程的远场边界条件为简化边界条件。本文以预处理方程为基础进行分析,推导了一种基于特征关系式的远场边界条件。通过典型状态算例数值实验,验证了该边界条件及预处理方法的有效性。结果显示,对于定常/非定常低速不可压流动,合理地设置远场边界条件,预处理方法都能够提高计算的收敛性和精度;对于跨声速流动,预处理方法和未加预处理方法两者的计算效率和计算精度相当。本文的预处理远场边界条件与简化预处理远场边界条件相比一是能够进一步提高计算的收敛速度;二是能够有效降低远场边界位置对预处理方法数值计算结果的负面影响。     

三维非结构贴体直角网格的N-S方程数值模拟

基于八叉树数据结构,采用直接分层光顺的方法,解决了非结构直角网格在物面不正交贴体的难点,发展了任意复杂外形的三维非结构贴体直角网格,并且可以根据流场特征进行自适应处理。在此基础上采用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的非结构网格的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法。计算表明,三维非结构贴体直角网格的粘性求解,可以适应各种高超声速的复杂外形,计算结果与试验吻合较好。     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式，并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合，发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率，将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计，一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

旋翼三维非定常跨音速绕流的数值模拟

 利用小扰动位势方程，用有限差分方法求解了旋翼跨音速流场。导出了严格的三维非定常位势方程远场无反射边界条件，并成功地用于数值计算中，缩小了物理求解域的空间尺度。采用了贴体坐标和网格加密技术，以得到合理的非均匀网格分布。应用较少的网格点数成功地计算了无升力情况下旋翼的三维非定常亚、跨音速绕流流场，得到了与实验结果符合良好的数值解     

翼-身-尾组合体的网格生成及 Euler 方程数值模拟

采用代数方法快速生成翼-身-尾组合体三维O-C型贴体网格。该代数网格生成方法使用双边界法,可保证物面附近近似正交,真实地模拟了机身头部及与机翼、尾翼交界处的形状,提高了代数方法生成网格的质量。并用中心格式有限体积法求解跨声速Euler方程,以某翼-身-尾组合体模型为例,计算结果与实验符合良好。     

轴对称跨音速进气道外罩绕流的高效差分算法

 本文考虑轴对称跨音速进气道外流场的有限差分计算方法。采用守恒型位流方程、贴体坐标网格和精确边界条件,根据最佳收敛准则对轴对称情形设计出新的近似因式分解迭代格式,并将所设计的格式应用到计算皮托式进气口的轴对称跨音速流场。对几种典型进气口的计算表明,本文格式收敛快,计算结果与实验符合很好。     

跨音速组合体纵向空气动力的差分计算

 本文建立机翼-机身-平尾-立尾组合体跨音速纵向空气动力的混合差分线松弛迭代计算方案。在物理空间采用直角座标网格,列出组合体的远场边界条件,在流场内部和物面、涡面网格点上,满足速势方程,利用物面边界条件,将速势延拓到机身内部。做了两个算例,得到了收敛或接近收敛的结果,与实验尚符合。对收敛过程和超松弛加快收敛的方法作了一些研究,发现超音速点的松弛参数应取大于1。     

基于自适应重叠网格的三角翼跨声速流场计算

在自适应重叠网格系统下,数值求解非定常Navier-Stokes方程,开展了钝前缘三角翼跨声速流场的计算研究。目的在于考察交叠网格系统下,不同迎角的跨声速来流条件时流场细节的捕捉能力。其中,网格方面采用了贴体网格块精确描述机体外形,采用与之交叠的可自适应的直角网格捕捉脱体涡系的发展变化及涡与激波的干扰;求解涡黏性计算方面,采用了Spalart-Allmaras(SA)及其对应的Detached Eddy Simulation(DES)模型。基于以上描述的方法,针对钝前缘三角翼在来流马赫数0.85不同迎角状态进行了计算,比较了雷诺平均与DES计算的结果差异。计算结果表明,在重叠网格系统下,网格构建简便,适用性好,计算具备一定的数值精度;对于大迎角状态,DES方法能够有效地模拟脱体涡系的发展变化,获得更好的计算结果。     

直升机旋翼悬停流场的粘性数值模拟

在旋转坐标系下求解可压缩NS方程,对Caradona-Tung旋翼的跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算中采用嵌套网格方法,并且应用了多重网格技术加速流场收敛。计算结果表明,多重网格技术显著改善了流场的收敛效率,计算量仅为单重网格的四分之一。文中同时还对无粘和粘性流场进行了对比,NS方程考虑了物面的粘性作用,能正确模拟出激波和边界层的干扰现象,计算得到的桨叶表面压力分布与实验值更加吻合。     

多重网格法求解二元跨音速欧拉流

 近年来,采用时间相关欧拉方程或N-S方程求解跨音速流得到了迅速发展。为了获得二元或三元复杂形体正确的表面气动参数和足够高分辨率的流场物理特性,必须采用十分细密的网格,因而导致计算时间成倍增长。为此,除继续发展各种差分格式,探讨各种自适应网格技术外,运用多重网格技术加速收敛过程得到了国外普遍关注并取得了一定的成功。国内也已有采用多重网格法解跨音速欧拉流的文章,然而均局限于两重网格的计算。为探索多重网格法和焓阻尼技术对加速收敛的作用,我们以NACA0012翼型的跨音速流动为例,采用MacCormack两步显式格式进行了数值实验。     

用隐式多重网格法计算实用外形无粘绕流

网格展弦比的好坏严重地影响多重网格的效率。文中细致地处理了多重网格算法的细节,了网格展弦比的影响,发展了一种计算实用外形绕流的隐式多重网格解法,计算效率提高了５倍。     

跨音速非定常流动的Euler方程隐式解

在随时间变化的贴本坐标系中给出求解非定常Euler方程的连续通量分裂法。在此基础上建立了可用于跨音速非定常流动的Euler方程隐式求解法。采用特征向量变换,可在保证原方程组离散化精度的条件下使计算大为简化。针对振动翼绕流特点建立了固连于物体的动坐标与固定坐标间的关系。数值计算在动坐标中进行,既简化网格生成又保证在物面上满足边晃条件。对NACA64A-10冀型绕1/4弦点做简谐俯仰振动的非定常气动力进行了计算,给出了与实验结果基本相符的计算结果。此外,还给出翼型做沉浮及同时进行沉浮与俯仰二自由度振动的非定常气动力的计算结果。     

跨声速欧拉方程的一种隐式有限元解法

本文用有限体积Ｇａｌｅｒｋｉｎ法求解了跨声速二维欧拉方程。求通量运用了Ｏｓｈｅｒ格式，通过外插把原来只有一阶精度的逆风格式改进成二阶精度。并采用基于一性化流量的隐式格式和非结构化网格，使程序具有较高的收敛效率。     

压气机叶片排中三维流场计算的多网格法

以三维有限差分形式的MacCormack格式为基础, 对相对圆柱坐标系下弱守恒型控制方程, 导出了残差在粗、细网格上的传播与回插公式, 形成了一种多网格算法。计算表明, 这种算法大幅度地提高了计算收敛速度, 而且方法本身简便易行。      

二维折角管道内超声速流动的多重网格计算

本文应用Euler模型和隐式TVD格式计算了二维折角管道内的超声速流动问题,为了有效地模拟激波和膨胀波系的相互干扰及壁面的反射,本文试将多重网格法和TVD格式结合起来进行数值求解。考虑到目前绝大部分文章采用V-循环多重网格法,我们对多重网格法中的几种多层次循环形式(V-循环、W-循环)进行了比较性的数值计算,旨在从中发现合适的多层次循环求解的形式,以期充分发挥多重网格法在Euler方程求解过程中的效益。同时,本文也是对多重网格法和TVD格式结合求解的一次初步尝试。     

非结构聚合多重网格法流场数值模拟研究

 在非结构网格上应用聚合多重网格技术来加速 Euler方程的收敛过程。设计了一种高效率的网格聚合方法。采用四重网格,在每一层网格上采用有限体积法进行计算。通过对多段翼型绕流的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性。     

绕振动旋成体的跨声速流数值分析

本文采用Ｅｕｌｅｒ方程和ＴＶＤ格式数值求解了小幅振动旋成体的非定常跨声速绕流问题，，假设在绕小幅振旋成体的非定常气流中，物理量的变化为平均定常扰动物理量的高阶小量，然后对Ｅｕｌｅｒ方程进行摄动展开，导出前两阶（零阶及一阶）摄动量的控制方程和相庆的边界条件，并进行数值求解。文中仅给出了振动旋成体的非定常压力分布。     

Euler方程的自适应多重非结构网格计算

介绍一种基于四面体网格的多重网格技术,用于求解三维Euler方程定常解,具有十分明显的加速收敛效果。求解Euler方程的基本算法采用有限体积中心差分格点格式。多重网格技术采用一组几何上相互独立的粗细不同的网格。流动变量、余量和修正量在相邻粗细网格间的相互传递通过线性插值实现。采用自适应技术对网格进行加密,可以获得较优的网格,并作为一套细网格,进行多重网格计算。数值实验表明本文自适应多重网格法十分有效。     

跨声速翼型绕流的Euler／边界层方程干扰数值解

本文利用Euler方程和可压缩湍流边界层积分方程研究绕跨声速翼型的有粘与无粘强干扰流动。应用有限差分法在贴体的网格上求解时间相关的Euler方程,以剪功积分方法求解翼面贴附和分离湍流边界层流动,并引入一个松弛方程描述剪应力对上游湍流历程的延迟响应。有粘/无粘干扰采用表面源模型。计算结果表明,对翼面存在强干扰流动情况,获得了与实验值基本吻合的结果。