时间谱方法中的高效GMRES算法

研究了时间谱方法求解周期性非定常流场的计算效率,并对时间谱方法应用于周期性非定常流动的隐式求解方法进行探讨。当采样点数增加或减缩频率增大时,时间谱方法对应的雅可比矩阵对角占优性质迅速恶化,导致很多传统的迭代方法失效。为了解决上述问题,论文采用带预处理的广义极小残差(GMRES)算法来提高雅可比系数矩阵的计算收敛性。使用时间谱方法对NACA0012翼型强迫振荡算例进行计算,并与时域差分方法的计算效率和精度进行对比。研究表明在保证计算精度的同时,时间谱方法普遍可将计算效率提高一个量级左右。对于跨声速周期性流动,广义极小残差算法不论是稳定性还是收敛性都优于对称SGS迭代算法。     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。     

跨音速压气机动静叶排相干的三维非定常流动数值分析

采用时空二阶精度ＮＮＤ显式差分格式求解三维Ｅｕｌｅｒ方程，对跨音速压气机级中动静叶排相干形成的非定常流动进行了数值分析。除动静叶排流动的控制方程体系、数值方法外，着重讨论了动静叶排计算域、网格以及边界条件的处理。对某压气机第１级动静叶排相干的非定常流场的计算，给出了叶片表面的马赫数分布、压力波动幅值，以及叶片槽道中瞬态密度等值线等，并分析了结果的合理性。     

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

计算跨音速N─S方程组的二阶隐式矢通量分裂格式

提出了一种二阶精度隐式矢通量分裂单步差分格式并用于求解时间平均Ｎ－Ｓ方程组。与传统方法相比,该方法是Ｊａｃｏｂｉ谱半径格式和无近似因子分解。数值试验表明：该方法具有精度高、计算量小和收敛快等优点。在平面叶栅和扩压器进气道的跨音速流场的求解中,较好地捕获了激波、分离等现象,与实验数据比较结果令人满意     

绕翼型低雷诺数流动的数值分析研究

分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的一个重要特征,分离泡通常都是非定常的,会对整个流场产生极大的影响,由于分离附面层的不稳定性,很快诱发转捩,并产生湍流再附。文中通过求解雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕Eppler387翼型的低雷诺数非定常流动,并对两方程SSTk-ω湍流模型,代数B-L模型和层流的计算结果作了比较。N-S方程和两方程湍流模型的控制方程非耦合求解,时间推进均采用近似因子方法(AF);空间离散无粘项采用ROE格式,粘性项用中心差分方法计算;计算非定常流场时,采用伪时间子迭代(τt-s)方法保证二阶时间精度,湍流模型计算时都是在固定点转捩。最后分析了转捩对低雷诺数流动的影响、分离泡的存在引起的流动不稳定性和周期性的脱出涡,数值计算给出的时间平均升力系数、阻力系数和压力分布与实验结果比较吻合。     

跨音速定常小扰动压力方程的混合差分法

本文提出直接求解跨音速定常小扰动压力方程的数值方法。对于研究某些洞壁干扰问题,与传统的速势方程相比,用压力方程作为求解跨音速流场的主管方程,边界条件为Dirichlet形式,易于处理,且待求变量为压力,可减少积累误差,提高计算精度。 本文采用混合差分法求解压力方程,通过数值试验,确定合适的差分格式及迭代线化方法。其收敛解与相应的以速势方程为主管方程求到的解相比吻合得比较好,从而证实了本文方法的可行性。 最后给出应用本文方法计算鉴定跨音速翼型风洞壁干扰以及由给定的压力分布计算翼型外形的典型算例。     

高阶精度间断Galerkin有限元方法研究

在二维非结构网格上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法求解跨音速欧拉方程进行研究。运用间断有限元理论,采用施密特正交化多项式基函数对流场解进行近似描述,使用HLLC近似黎曼解方法计算网格单元边界处的数值通量,积分项通过高斯积分求解,时间推进采用经典四步Runge-Kutta方法,并引入斜率限制器,抑制数值振荡。对NACA0012翼型跨音速无粘流动进行数值模拟,数值结果表明：间断Galerkin有限元方法具有较高的精度,较小的数值耗散和较强的激波捕捉能力。     

模拟二维周期性非定常流动的谐波分析方法

介绍了一种从频域出发模拟二维周期性非定常翼型绕流的数值方法.考虑到很多工程中遇到的非定常流动问题都是周期性的,因此非定常流场中的守恒变量可以展开为傅立叶级数,其系数随空间位置的不同而改变.将这样的谐波假设引入欧拉方程,经过处理的方程不显式地含有时间导数项,实际求解的方程将具有定常方程的形式.在使用多重网格技术后,计算可以很快达到收敛.对NACA64A010翼型典型的周期性非定常绕流进行的数值模拟表明,这种方法在能够给出较为准确的计算结果的同时,与传统的双时间方法相比,可以大幅提高计算效率.     

谐波平衡法在非定常流场中的应用

谐波平衡法（HBM）适用于模拟周期性非定常流场。求解这类问题时,只需要一个周期中几个等距时刻的流场解,即可重建整个周期流动的时间历程,计算效率较高;同时还采用谱算子精确求解流场变量对物理时间的导数项,保障了算法的计算精度。鉴于此,详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并给出了如何在现有计算程序下实现谐波平衡法的流程。取跨声速翼型和超声速钝锥两个周期性强迫俯仰振荡绕流为例,以双时间步方法为参考,对谐波平衡法的效率和精度作了详细的考核和分析。计算结果表明,谐波平衡法的内存消耗较大,谐波数N_H=2时约为双时间步方法的4倍,但谐波平衡法取得与双时间步方法相近结果的计算时间仅为后者的1/5。因此,谐波平衡法是一种有应用前景的工程实用方法。对于长周期问题,谐波平衡法的优势更加明显。     

An adaptive integration surface for predicting transonic rotor noise in hovering and forward flights

In this paper, a new permeable adaptive integration surface is developed in order to evaluate transonic rotor noise in accordance with FW-H_pds equations(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface). Firstly, a nonlinear near-field solution is computed on the basis of Navier-Stokes equations, which is developed on moving-embedded grid methodology.The solution calculated through the present CFD method is used as the input for acoustic calculations by FW-H_pds equations. Then, two criteria for constructing integration surfaces are established based on the analysis of the quadrupole source strength and the nonlinear characteristic.A new surface is determined adaptively by the pressure gradient or density in a given flowfield,eschewing the uncertainties associated with determining cylinder-shaped integration surfaces. For varying hover cases, transonic noises are simulated with new integration surfaces for a UH-1 model rotor. Furthermore, numerical results of the new integration surface derived from the density perturbation value conform better to experimental data than results derived from the pressure gradient.Finally, the integration surface given by jrqj being 0.1, which is an applicable criterion obtained from hover cases, is used to predict transonic rotor noise in forward flight. The computational accuracy of the new integration surface method has been validated in predicting transonic rotor noise of an AH-1 model rotor at different advance ratios.     

低超声速来流中机翼跨声速非定常气动力数值解法

本文给出一种低超声速来流中机翼跨声速非定常流的计算方法。该方法使用跨声速小扰动理论,正确地计入了沿流向平面流动特征线的压力波的运动边界条件。流动方程是使用时间精确交替方向隐式(ADI)有限差分解法求解。试算了M=1.1的矩形翼和M=1.1、1.34的F5机翼的定常和非定常气动力,并与国外的风洞试验和计算结果作了比较,符合很好。表明本方法是有效的。     

一种跨音速叶栅流场分析系统

本文建立了一种工程实用的跨音速叶栅流场分析系统,可进行跨音速叶栅无粘绕流和无粘流-边界层迭代计算。叶栅无粘绕流的计算以Denton拟流向“相对差分”方法为基础,y向采用松驰线性插值算法,所形成的解法能保证以较少的网点获得较准确的结果。边界层的计算采用积分方法,并考虑了紊流边界层的分离问题,文中还介绍了无粘流-边界层的耦合方式。应用本文方法对国内外多种压气机和涡轮叶栅进行了计算分析,所得结果与实验的吻合程度较好,因此,所提出的叶栅流场分析系统,可望为工程设计上实用的计算手段。     

高速风洞带动力模拟试验TPS短舱唇口设计

利用计算流体动力学(CFD)技术分析了进气道质量流量差异对外表面压力系数分布的影响,并通过对发动机进气道唇口的反设计优化,使涡轮动力模拟器(TPS)试验时的外表面压力分布与真实质量流量下的压力分布基本一致.通过对发动机唇口修正,可提高2.4m跨声速风洞高速带动力模拟风洞试验的准度.      

弹性飞机跨声速机动载荷计算方法

基于跨声速非定常气动力求解的重叠场源法,开展了弹性飞机跨声速机动载荷计算方法研究,为现代飞机结构强度设计提供更加可靠和精确的临界载荷计算方法。首先通过采用重叠场源法求解关于62%根弦俯仰振荡的LANN机翼在马赫数为0.822的非定常气动力并与实验结果进行对比,验证了重叠场源法对跨声速激波效应预测和非定常气动力计算的能力;其次应用频域气动力有理近似技术拟合场源法计算得到的广义气动力系数矩阵,建立了机动载荷分析的状态空间模型;然后完成了某型民用飞机俯仰机动载荷分析,研究了俯仰机动飞行情况下飞机机体状态量及飞机部件载荷响应规律。计算结果表明：考虑机体弹性变形后,机翼和平尾气动载荷响应最大值分别减小了5.1%和10.6%,升降舵气动载荷响应最大值增大了16.2%,在飞机结构强度设计中必须考虑机体弹性效应对飞机部件载荷的影响。     

抗混叠时频域融合算法及在叶片响应分析中的应用

为解决现有的时频域融合算法中反复使用快速傅里叶变换而出现频谱混叠误差和频谱系数周期性重复的问题,采用快速抗混叠傅里叶变换取代原有的快速傅里叶变换,从计算精度和效率两个方面对时频域融合算法进行改进.使用改进后的抗混叠时频域融合算法对某真实叶片的非线性强迫振动响应进行了计算,并与原算法的计算结果进行了比较.计算结果表明:抗混叠时频域融合算法在保证精度的前提下,计算速度约为原算法的4倍.该算法适合于有限元模型、精度要求高的非线性系统的动力学响应分析.      

气体动理论BGK格式的网格自适应方法

为了提高气体动理论BGK（Bhatnagr-Gross-Krook）格式在超声速流动问题计算时激波捕捉的准确性与计算效率,提出了一种适用于气体动理论BGK格式的网格自适应加密方法。该方法采用基于四边形的链表技术来描述网格的拓扑结构,在物理量重构过程中,使用了在四边形网格中表现优异的van Leer限制器,以保证粗细网格过渡处物理量重构的精度。用跨声速翼型绕流（马赫数Ma=0.85）、超声速前台阶流（Ma=3）和高超声速圆柱绕流（Ma=8.03）等多个典型算例验证了BGK自适应网格方法。计算结果表明,自适应网格BGK方法在保证数值精度的前提下,可大幅度提高计算效率。这为该方法用于高效地解决复杂问题提供了一种选择。     

二维气动问题中Kriging代理模型精度影响因素

以二维跨声速临界翼型的阻力特性为对象,探讨样本点数目、Kriging代理模型参数及其类型等对模型精度的影响.阻力系数采用计算流体力学（CFD）方法得到.模型精度的验证采用交叉验证方法,采用平均误差、最大误差和标准交叉验证残差来衡量Kriging代理模型的精度.研究结果表明:①Kriging代理模型预测气动阻力效果较好.②模型精度随样本点的增多而提高,剔除与样本点响应趋势不相符的“奇异点”后,模型精度显著提高,平均误差减小5%~38%,最大误差减小13%~77%.③核函数类型对模型精度的影响最大,相关参数次之,回归模型的影响最小.采用高斯相关函数、2阶多项式回归模型,以及合适的相关参数值时,Kriging代理模型的精度最高.      

一种跨声速风洞透气壁模型的数值模拟研究

宽体客机巡航状态、阻力发散马赫数状态以及俯冲状态的绕流均属于跨声速流动,风洞试验过程中由于试验段壁板的存在,模型与洞壁均可能产生较强的激波,并诱发复杂的相互干扰,进而呈现出强烈的非线性耦合现象。针对宽体客机标模在 FL灢26 风洞中试验的洞壁干扰情况,提出一种基于透气壁模型的数值模拟方法;基于该方法研究 0.8≤Ma ≤0.92 范围内的模型洞壁干扰耦合效应。结果表明:与基于壁压信息法的数值模拟方法相比,采用透气壁模型方法不需要测试数据,能够较好地模拟孔壁流动对宽体客机升力系数曲线的影响,同时也给阻力带来较大的修正量。