小型涡喷发动机整机流场数值模拟技术研究

为计算某小型弹用涡喷发动机流场,研究了针对涡喷发动机整机的建模、网格处理以及动态工作点确定等关键技术。通过复杂结构部件建模和拼接,建立了涡喷发动机整机流场计算网格,理论模型中考虑了叶轮流场、湍流和燃烧过程的模拟,并以作用转子上气动力矩为基础计算转子的转速。在通用计算流体力学（CFD）软件中,通过编写UDF程序构建了发动机流场的计算框架。结果表明：全机流场仿真技术为分析涡喷发动机工作过程提供了有力工具,同时揭示了几何建模的精度等因素对计算结果准确性有较大影响。     

全机复杂流场网格生成及N-S方程数值模拟

全机复杂流场网格生成对计算结果起着举足轻重的作用。本文首先通过合理的拓扑结构,分块对接的方法对复杂流场进行了网格划分,然后采用N-S方程有限体积法及分区对接法对翼—身—尾全机流场进行数值模拟。计算结果验证了网格生成的有效性和计算结果的合理性。     

用于复杂流场数值模拟的重叠／嵌套网格方法

介绍了一类用于复杂流场数值模拟的重叠／嵌套网格方法。它是一类多块结构化网格,可用于有或无多重网格加速收敛技术的有限体积、有限差分等计算。其基本思想是把复杂流场的计算区域化分成相对简单的子区域,每个子区域上的网格可以独立生成;网格界面之间的流场信息交换通过三线性插值来实现,通过修改流场解算方法来排除洞中的点。     

分区对接网格在跨流域气体运动论统一算法的应用研究

为了模拟跨流域复杂物形绕流或多体流场,需要在位置空间建立能描述整个流场特性的网格系统,相应的数值计算方法也需要有所改进。本文采用分区对接网格处理复杂物形绕流或多体干扰流场,得到能准确描述流场特征的贴体网格系统。在此基础上数值求解考虑转动非平衡影响的Boltzmann-Rykov模型方程,在速度空间应用离散速度坐标法、位置空间采用数值差分NND格式。网格对接面上考虑分布函数的传递,包含网格点信息和网格点上速度的信息。通过计算得到复杂物形的流动特性。相关算例表明网格分区之间的流场参数光滑过渡。与文献及DSMC结果的对比证实本文基于分区对接网格的气体运动论统一算法是可靠的。     

分区对接网格在跨流域气体运动论统一算法的应用研究北大核心CSCD

为了模拟跨流域复杂物形绕流或多体流场,需要在位置空间建立能描述整个流场特性的网格系统,相应的数值计算方法也需要有所改进。本文采用分区对接网格处理复杂物形绕流或多体干扰流场,得到能准确描述流场特征的贴体网格系统。在此基础上数值求解考虑转动非平衡影响的Boltzmann-Rykov模型方程,在速度空间应用离散速度坐标法、位置空间采用数值差分NND格式。网格对接面上考虑分布函数的传递,包含网格点信息和网格点上速度的信息。通过计算得到复杂物形的流动特性。相关算例表明网格分区之间的流场参数光滑过渡。与文献及DSMC结果的对比证实本文基于分区对接网格的气体运动论统一算法是可靠的。     

CFX在军机微小部件优化设计中的应用

针对某型飞机在跨声速飞行中出现垂尾方向舵的铆钉被吸出的问题,本文采用CFX 5.7对全机加细微尺度的扰流条构型进行了一定状态的精细数值模拟。详细分析扰流条改进前后的流场差异,对原来的扰流条改进设计,通过流场的变化判断改进设计是否达到预期目的。计算前处理的网格采用ICEMCFD 5.1网格生成器生成HEX六面体结构网格,网格规模为450万。由于跨声速流场是风洞试验和数值计算模拟的难点,为了准确地反映全机复杂流动的物理现象,本文数值模拟选取M a=0.95,4°迎角,SST湍流模型,二阶差分格式,采用小的物理时间步长在600个时间步以内即可获得跨声速流场的收敛解。通过对流场计算结果的详细分析,证实了方案优化设计的合理性和有效性。本文的计算是CFX 5.7对复杂构型细微尺度变化流场模拟的一个典型算例,充分反映了ICEM 5.1中HEX六面体结构网格对流场细微变化的捕捉能力和CFX 5.7全隐式求解器的良好鲁棒性和快速的收敛性。对于这种特殊部件细微尺度变化的流场模拟,风洞试验显得无能为力,只有通过高精度流体仿真软件来模拟优化设计的效果,为优化设计提供参考的依据。     

通道中有稳定器的湍流流场分区计算方法

采用任意曲线坐标系对含有Ｖ型稳定器的通道内湍流流场进行数值计算。对含有Ｖ型槽的复杂流场中网格分区方法作了详细的分析,提出一个新的网格划分方法。数值计算采用曲线坐标系下非交错网格的ＳＩＭＰＬＥ方法,计算时对整个流场进行分区迭代,直到得到收敛结果。文中对一含有Ｖ型稳定器的直通道湍流流场进行了数值计算,结果合理。     

三维Euler方程自适应八叉树结构各向异性直角网格算法

采用各向异性直角网格对相应的三维复杂流场进行了模拟 ,提出了物面三角化方法及网格与物面的相交判断过程。用以中心差分为基础的 Jameson的有限体积法对 Euler方程进行求解。计算结果表明 ,各向异性直角网格算法对相应流场进行模拟 ,计算时间较短而效果较好     

不同类型搭接网格对周向槽处理机匣模拟结果影响研究

摘 要: 为深入研究不同类型搭接网格对周向槽处理机匣数值模拟结果的影响,以某单级跨声速压气机及其转子叶顶的周向槽处理机匣作为研究对象,划分了多种计算网格并采用不同类型搭接网格关联周向槽与压气机主流道。详细的三维定常数值模拟和分析表明,传统完全非匹配搭接网格,在计算上会导致流场数据通过搭接网格传递时明显失真,使转子尖部复杂流动呈现显著间断特征,给压气机内流和性能模拟结果带来较大不确定性;增强搭接网格匹配度,有利于提高流场数据传递精度,弱化转子尖部复杂流动的不连续性,降低模拟结果的不确定性;采用完全匹配类型搭接网格,可在计算上完全避免搭界网格上的流场数据传递失真,从而使压气机内流及性能模拟结果具有更高的可信度。     

网格生成和数值模拟的讨论

讨论了多种网格生成方法及其数值模拟。给出一种生成多部件复杂外形飞行器分区网格和Ｅｕｌｅｒ方程分区解。讨论了前缘分离涡为主体的旋涡流场。作了跨声速流分区的并行计算的初步尝试。给出一种二维非结构网格的生成方法。     

基于图像处理思想的自适应网格技术

为了提高激波和旋涡等复杂流动现象的捕捉精度和计算效率,基于图像处理的思想,研究了非结构网格的自适应加密和稀疏算法.将流场计算网格与图像像素类比,借鉴图像处理的方法,提出了一种流场自适应区域的分割算法.该方法能自动对自适应区进行分层,中间区域网格可以达到原来多次自适应的效果,而且提高了生成网格的质量.将算法嵌入到流场求解器中,根据流场求解结果对网格进行自适应,并使用算例进行了验证.     

适用于倾转旋翼机气动分析的新型嵌套网格方法

为克服围绕复杂倾转旋翼机生成高质量一体化结构网格的困难，将分块网格策略与嵌套网格方法融合，提出并建立了一套适用于倾转旋翼机气动干扰分析的新型嵌套网格生成方法。该方法中，将整体网格按照倾转旋翼机结构特性进行了分块生成，在保证插值精度的基础上降低了网格规模。为高效连接不同部件网格，首先，引入Inverse Map方法来辅助部件网格定位，采用新颖的多向投影方法保证了部件间洞边界的连续性；其次，基于独立挖洞嵌套策略完成机身与背景网格的组合，并使用了相应的辅助计算坐标进行背景边界网格标识。在贴体网格区域采用基于S A（Spalart Allmaras）湍流模型可压缩RANS(雷诺平均Navier Stokes）方程求解流场，背景网格区域采用欧拉方程，并运用了SPMD(single program, multiple data)模式的并行加速技术，建立了适合倾转旋翼机气动干扰特性分析的高效混合CFD方法。采用Robin直升机机身作为数值算例，验证了CFD方法的有效性。在此基础上着重对倾转旋翼机在悬停、过渡和前飞巡航模式下的干扰流场进行了数值分析研究，分别得出了悬停状态下倾转旋翼机典型的“喷泉效应”干扰现象、过渡状态下的非定常气动干扰特性以及巡航状态下的部件气动变化特性，计算结果表明建立的新型嵌套网格方法能够较好地表征倾转旋翼机外形特性，并能够有效地用于倾转旋翼机的气动特性分析，加速比能超过5.0。      

矩形／非结构混合网格技术及在二维／三维复杂无粘流场数值模拟 …

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术，其中非结构网格仅限于物面附近，发挥非结构网的几何灵活性，以少量的网格模拟复杂外形，同时在以外的区域采用矩形结构网格，发挥矩形网格计算简单快速的优势，有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。     

零净质量射流的数值模拟

对零净质量射流致动器的流场和有零净质量射流时翼型的绕流流场进行了数值模拟,分析了动网格与几何守恒率、边界条件、湍流模型对零净质量射流致动器流场计算的影响,分析了零净质量射流的速度幅值和驱动频率对翼型增升效果的影响.研究结果表明,在复杂计算中可以对能动部件的边界作赋值处理;随着射流速度幅值的增加,翼型的平均升力系数和阻力系数都要增加;射流频率对升力的影响呈非线性.     

真实飞行器网格生成策略及在航空CFD中的应用

从应用于型号气动设计的实用软件研制的需求背景角度,探讨真实飞行器网格生成策略,以几种典型的军机、民机及导弹实用外形为例,研究生成贴体及与边界正交高质量计算网格,并应用于复杂流场计算。经全机亚、跨、超音速、大迎角及发动机进排气复杂流场测试,空气动力和力矩系数以及物面压力分布与实验数据吻合良好,证明本文论述的网格生成方法是实用、有效的。     

格子-波尔兹曼方法在舰面流场计算中的应用

舰面流场对舰载直升机的起降安全性有显著影响,针对传统CFD方法在复杂模型仿真计算的不足,提出了以格子-波尔兹曼方法应用于舰面流场研究领域的课题。从基本原理和特性上介绍了格子-波尔兹曼方法,以美国船坞运输舰LPD-17为算例进行了计算仿真,分析了舰面流场的主要特征,通过对比以前的研究得出了相关结论。数值模拟表明,舰尾附近存在复杂的涡流影响,会给飞行器的起降造成困难。同时,基于格子-波尔兹曼方法的求解程序,具有较好的并行效率和计算精度,省去了复杂网格生成中人工作业,提高前处理效率,减少了网格处理中的不确定性,提高了复杂流场的分析效率和结果的可信度。     

喷流-外流干扰流场数值模拟

 研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠 搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。     

用双时间法数值模拟悬停旋翼流场(英文)

本文用改进的双时间法和重叠网格通过求解可压缩的欧拉和Ｎ－Ｓ方程计算了悬停旋翼流场。在双时间法中,我们采用牛顿松弛以加速每个真实时间步中的子迭代。高效的双时间法加上重叠网格使在微机上计算复杂的悬停旋翼流场成为可能,计算结果和实验符合得很好,计算得到的下洗流和载荷证明了我们的方法是可行的。     

矩形/非结构混合网格技术及在二维/三维复杂无粘流场数值模拟中的应用

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术,其中非结构网格仅限于物面附近,发挥非结构网格的几何灵活性,以少量的网格模拟复杂外形;同时在以外的区域采用矩形结构网格,发挥矩形网格计算简单快速的优势,有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。混合网格系统由修正的四分树（２Ｄ）／八分树（３Ｄ）方法生成。本文将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算,消除了全矩形网格模拟曲面边界的台阶效应,同时保证了网格间的通量守恒。该算法被成功地运用于ＮＡＣＡ００１２翼型的跨、低超声速绕流,二维弯管内运动激波的非定常流,以及三维捆绑火箭的超声速绕流的数值模拟。计算结果表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性。     

多重网格技术在复杂粘性流场计算中的应用及研究

流体力学控制方程的数值求解过程中,当网格加密、粘性效应强或来流马赫数低的时候,流场收敛非常缓慢。本文在多块网格、LUSGS隐式格式基础上采用多重网格技术,计算了NLR7301case#1两段翼型的低速绕流及DLRF4跨声速流场,在复杂二维、三维粘性流场求解中获得了满意的加速收敛效果。文中还比较了V循环、W循环的加速效率,为多重网格的工程应用奠下基础。