二维流热耦合数值模拟程序及方法研究

本文发展了一套二维流热耦合数值模拟程序,流体域中采用结构化网格,固体域中采用非结构化网格,流体域和固体域耦合面上的网格为非匹配连接。为了使该程序能够同时模拟低速不可压流动,程序中还加入了预处理方法。此外,本文还发展了一种能较好保持通量守恒的界面插值技术,来处理流体域和固体域耦合面上的非匹配网格。数值计算结果与实验值或商业软件结果的对比表明:本程序中的预处理方法有效地改善了低速不可压流动下的计算收敛性和收敛精度,使本程序能够同时模拟高速和低速不可压流动;扩压器和叶栅的流热耦合计算表明本文程序在流热耦合计算方面具有较好的模拟能力,同时也表明本文发展的界面插值技术的可靠性。     

非正交界面下的插值耦合传热方法

针对复杂热防护结构,开发了一种求解非正交性流/固界面的耦合传热程序。流体和固体区域采用同一积分、守恒型的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stock)方程,通过有限体积法进行离散求解。为了保证非正交界面上的温度和热流密度连续,提出了一种结合网格周边信息计算界面热流密度的插值方法。利用该插值耦合方法模拟了双层复合平板和喷管的热传导。数值结果表明:该插值方法在空间上具有2阶精度;喷管壁面上的对流换热系数沿轴向先增大后减小,在喉部上游达到最大值,当喷管入口压力增加3.38倍时,对流换热系数的最大值相应增加了3.13倍;喉衬与壳体界面上温度的计算值和试验结果存在一定差异,这是由于本文数值计算未考虑接触热阻引起的。     

含运动边界二维多体干扰流场的数值模拟

本文采用二阶精度Godonov扩展方法求解非定常：Euler方程，以基于格心的自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，空间和时间都是二阶精度，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，对作俯仰振动的NACA0012翼型绕流及激波管中运动、静止圆柱的流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步对含多体分离流场进行数值模拟打下了基础。     

复杂外形飞机绕流数值模拟研究

飞机复杂外形的绕流数值模拟在飞机型号研制中有重要的作用 ,也是数值模拟中比较复杂的问题之一。本文采用基于Octree技术的方法生成非结构四面体网格 ,用耦合隐式离散的方法进行有限体积离散 ,利用此方法对某型飞机的绕流特性进行了数值模拟 ,收到较好效果。     

非结构网格下可压缩黏性流体的隐式算法

采用牛顿线化和Roe近似Jacobians矩阵隐式算法,实现基于非结构网格的三维定常黏性流动问题的求解.分别对平板、跨声涡轮叶片Mark-Ⅱ和CW-22这三种具有代表性的流动进行数值模拟,并详细分析了流动细节,模拟结果与理论以及实验值吻合良好,准确预测了流场内激波、二次流等重要的流动现象.验证了基于非结构网格的可压缩流体隐式计算方法对于黏性流动问题的计算是正确的.      

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法, 研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格, 并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程, 配以壁面函数率, 求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.      

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。     

适用于涡激振荡问题研究的并行高精度方法

提出了一种用于研究大振幅及物体间小间距等极端情况下涡激振荡（VIV）问题的高精度方法。该方法针对三角形/四边形非结构混合网格，采用高精度谱差分（SD）格式对Navier-Stokes方程进行空间离散。通过引入非均匀滑移网格方法，将计算域分割成多个互相不重合的子区域，从而实现了子区域网格的独立变形，子区域之间通过粘接元进行信息传递。采用全耦合方法精确求解VIV问题中流体和固体间的相互作用。通过研究并行策略以及使用消息传递接口，实现了求解器的并行计算能力。数值模拟表明：对于无黏和有黏流动问题，该方法均能保持SD方法的高精度特性；对于动网格下的定常均匀来流，求解器能够做到自由流保持；单个圆柱VIV问题仿真与现有文献结果符合较好，验证了方法的可靠性；对于流场变形情况比较复杂的涡激振荡问题，求解器可以有效实现网格变形，并具有理想的并行效率。     

基于混合方法的膨胀腔非稳态流动及气动噪声分析

采用混合方法对气流作用下的膨胀腔的非稳态流动和气动噪声进了数值仿真分析。建立基于有限体积法的流体仿真模型,采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。数值仿真结果捕捉到了腔体内部非稳态流动以及涡量的发展变化过程,并与实验观测结果基本吻合。采用积分插值的方法将流场结果插入声学网格上,基于气动声学理论计算腔体内部的流噪声源。建立声学仿真模型,将流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的声压,并与实验结果进行对比,声压级以及共振频率都吻合良好。结果表明:混合仿真方法准确直观揭示出管内流噪声产生的机理和过程,尾管辐射噪声的仿真结果与实验结果及理论计算结果的偏差都在5%以内。      

基于非结构网格的气动弹性数值方法研究

基于非结构网格和网格变形技术,研究了耦合求解流体和弹性结构体互相作用问题的数值方法.气动弹性模型采用了耦合求解可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程和线性结构动力学方程的方法.为了能处理在复杂几何域内的问题,采用了基于混合单元的非结构网格有限体积方法.开发的方法在二维翼型简谐振动进行了验证并应用于AGARD 445.6翼型颤振边界的数值模拟.      

尖化前缘高导热材料防热分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境,提出疏导式热防护结构( TPS),为飞行器前缘提供热防护.采用有限元法和有限体积法,分别对在特定工况下飞行的尖化前缘固体域和流体域进行计算,验证了前缘内嵌高导热材料的防热效果,其中来流马赫数为6.5时,头部壁面最高温度下降了13.6％,尾部最低温度升高了16.7％,实现了热流...     

CFD技术在目标电磁特性计算中的应用

电磁学中麦克斯韦方程组和流体力学中无粘流动欧拉方程一样,都是具有实特征值的双曲型偏微分方程组,相同的数学特性使得计算流体力学(CFD)技术能够在计算电磁学(CEM)中得以应用。采用MUSCL格式结合Steger-Warming分裂计算电磁通量,采用4阶Runge-Kutta法计算非定常时间推进,借鉴CFD方法计算电磁场边界条件;采用时域有限体积法(FVTD)数值模拟宽带脉冲波、完全导电体、含吸波材料涂层介质/金属混合体以及复杂外形目标的电磁散射。结果表明:基于CFD的FVTD方法能够高精度地计算目标的电磁特性。     

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。     

局部流动分离诱导结构振动问题的数值模拟

基于非结构网格技术和SST-DES模型,采用流体与结构紧耦合策略,对飞机机身突出物（如雷达罩）下游的蒙皮振动过程进行了数值模拟计算。在求解NS方程过程中,使用有限体积法,结合有限元法求解结构运动方程。在时间域内模拟了不同结构参数和飞机不同迎角下的飞机蒙皮的结构响应,建立了亚音速条件下壁面流固耦合分析方法。计算结果表明：机身突出物诱导出的分离涡的确可以激发下游壁面的振动,其壁面振动的幅度与结构本身参数密切相关,振动主要为发生在壁面的法向上,随着迎角增加,壁面的振动减弱。通过基本原理和算例可以看出,方法可以预测不同条件下壁面的动态响应过程,适用范围宽,可以用于壁面结构的设计。     

Fluid structure interaction simulation of supersonic parachute inflation by an interface tracking method

An Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) approach with interface tracking is developed in this paper to simulate the supersonic parachute inflation. A two-way interaction between a nonlinear finite element method and a finite volume method is accomplished. In order to apply this interface tracking method to problems with instantaneous large deformation and self-contact, a new virtual structure contact method is proposed to leave room for the body-fitted mesh between the contact structural surfaces. In addition, the breakpoint due to the fluid mesh with negative volume is losslessly restarted by the conservative interpolation method. Based on this method, fluid and structural dynamic behaviors of a highly folded disk-gap-band parachute are obtained. Numerical results such as maximum Root Mean Square (RMS) drag, general canopy shape and the smallest canopy projected areas in the terminal descent state are in accordance with the wind tunnel test results. This analysis reveals the inflation law of the disk-gap-band parachute and provides a new numerical method for supersonic parachute design.     

型腔充填过程中气液两相流计算及三维自由表面的确定

针对液体充填型腔过程的特点,在固定计算域中数值模拟型腔充填过程中气液不相混两相流流场。采用了体积守恒形式的连续性方程,以防止由于气液两相密度差大而引起的数值求解中的不收敛现象。将PHOENICS软件的流场计算与守恒标量求解大变形自由表面的方法相结合,在固定计算域中完成了数值模拟三维液态充填型腔的过程。针对两种情况下的计算结果表明,本文提出的方法可用于高速充填过程和复杂型腔充填过程的数值模拟。     

Numerical investigation of windage heating within shrouded rotor-stator cavity system with central inflow

The rotating disk surface temperature rise due to windage heating effect by numerically modeling the turbulent flow within a rotor-stator cavity which is available with a peripheral shroud and imposed through airflow was dealt with. The windage heating may be defined as viscous friction heating caused by relative velocity differences across the boundary layers between the fluid and the rotating disk surface. The kinetic energy dissipation process could transform the rotating shaft power into thermal heating. Commercial finite volume based solver, ANSYS/CFX was employed to numerically simulate this physical process by using the shear stress transport (SST) turbulence model. CFD results include the rotating disk surface temperature axial distribution and tangential velocity distribution of the fluid domain. The velocity difference between the result obtained by particle image velocimetry (PIV) experiments and CFD simulation are within 5%. The adiabatic disk temperature rise can be calculated by the tangential velocity of disk and fluid in large gap ratio and turbulent parameter. CFD temperature distribution results and those estimated via velocity differences are within 10%.     

Vibrational behavior of isotropic plate structures in contact with a bounded fluid via unified formulation

This paper presents an analytical solution for free vibration analysis of thick rectangular isotropic plates coupled with a bounded fluid for various boundary conditions. In order to consider displacement theories of an arbitrary order, the Carrera Unified Formulation(CUF) is used. The eigenvalue problem is obtained by using the energy functional, considering plate and fluid kinetic energies as well as the potential energy of the plate. The Ritz method is used to evaluate the displacement variables, and the functions used in the Ritz series can be adjusted to consider any of the classical boundary conditions. The convergence of the solution is analyzed, and a validation of results considering open literature and 3D finite element software is performed. Parametric studies are carried out to obtain natural frequencies as a function of the side-to-thickness ratio, plate aspect ratio, fluid domain size, plate boundary conditions, and fluid-solid density ratio. Pressure and velocity in the fluid domain are evaluated in order to establish the consistency of the solution.Accurate results for thick plates are obtained with a much lower computational cost compared to that of 3D finite element solutions.     

跨声速风扇的流固耦合的颤振分析(英文)

发展了时间推进的叶片颤振的数值方法,采用了时间推进求解流体和固体相互作用的过程。气动模型是基于求解三维雷诺平均的N-S方程,采用了多块结构化网格的有限体积格式,对流和耗散通量的计算使用了二阶迎风格式和中心格式。在变形的动网格上流体运动的守恒型方程的求解采用双时间步,隐式格式和多重网格方法。叶片振动采用了振型叠加的线性气动弹性模型。该方法在气动弹性标准算例4进行了验证,并用于求解跨音速风扇的颤振问题。