可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

含二相粒子非线性粘弹性聚合物材料界面脱粘研究

研究了含二相粒子聚合物材料中粒子界面脱粘问题。首先提出了三维应力状态下具有非线性粘性效应的聚合物基体材料的本构关系;其次,对无限大聚合物基体中粒子-基体界面脱粘问题进行了分析,导出了求解界面脱粘临界时间的方程,并且给出了常应变条件下界面脱粘时间表达式;最后通过数值计算,讨论了界面脱粘临界时间的影响因素。计算结果表明:粒子尺度、加载速率、界面粘结能和非线性粘性参数对界面脱粘时间有重要的影响。     

碳纤维复合材料（CFRP）增强铝合金梁的界面应力分析

CFRP增强铝合金梁结构中,两种材料之间的载荷传递主要是通过界面胶结层的变形来实现的。本文主要针对该结构中界面应力进行理论计算,并且对其影响因素进行讨论分析。     

两种高精度高效率静气弹数据传递函数

遵循静气弹问题中气动/结构网格之间的数据传递要求,引入了基于径向基函数的流固耦合界面数据传递方法,确定了紧支半径的选取原则,并编制相应的计算程序。以M6机翼为例,将不同径向基函数的插值精度及计算效率进行比较,结果表明体样条（Volume Spline）函数和C2函数具有良好的插值精度和计算效率。这两种流固耦合界面数据传递方法非常适用于工程应用。     

燃气- 蒸汽联合循环性能计算平台界面开发

为实现联合循环机组的快速设计、性能优化及分析,基于热力学定律,采用面向对象及混合编程技术开发了燃气-蒸汽联合循环机组热力性能计算平台。针对燃气-蒸汽联合循环系统流程结构,运用Fortran语言编译了联合循环热力性能计算模块,并借助混合编程技术与C#界面程序实现对接,完成软件界面的编译。提出界面的整体架构及类的实现与继承,构造出窗体类、计算接口类及灵敏度分析接口类,实现了所开发软件的性能计算功能。该软件能快速开展循环方案设计、优化及变工况的性能分析等工作,为机组的设计和优化提供有益指导。     

广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法

针对不可压缩、非混溶的复杂多相流问题，提出一种广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法。此方法运用早前发展的简化多相流格子Boltzmann方法（simplified multiphase lattice Boltzmann method,SMLBM），通过采用带有拉格朗日算子的广义守恒相场方程来控制界面的演化并确保每个相的体积和总质量守恒。此外，在单松弛格子Boltzmann方法框架内，SMLBM是通过预测-校正策略来模拟流体系统和跟踪界面演化，其计算过程中仅需要考虑平衡态分布函数的演化，并且平衡态分布函数可直接从宏观量计算得到，因而具有良好的稳定性、高计算效率和边界条件易于实施的优点。本方法继承了SMLBM的优势，能够解决由不同流体组分之间的大密度比和大黏度比引起的界面处大压力梯度问题。为了验证本方法的稳定性和准确性，模拟了包括拉普拉斯定律、液滴透镜、三相泊肃叶流以及复合液滴铺展在内的四个多相流算例。结果表明，本方法能有效地模拟密度比达1 200和黏度比达500的复杂界面算例。     

X-cor夹层结构的有限元模型

结合有限元模型中对Z-pin的处理方式,提出整体式、组合式以及分离式3种计算模型,分析其适用性及优缺点。在桥联力实验和Z-pin从泡沫拔脱实验研究的基础上,提出分离式有限元模型,引入双弹簧联结单元来揭示Zpin和泡沫及面板之间相互作用的细观机理;其中平行于Z-pin单元接触面的弹簧(刚度)用来模拟计算界面相对滑移和粘接应力,垂直于单元接触面的弹簧(刚度),用于定义层压板、泡沫与Z-pin法向的接触,实现了X-cor夹层结构力学行为和界面失效的有限元仿真计算。     

铸件凝固温度场有限元分析中界面热阻处理

本文提出一种处理铸件与铸型界面热阻问题的虚拟界面单元法，并给出了有限元计算公式。由于该单元厚度（△l）和铸件/铸型的间隙无关，故可取铸件与铸型间接触表面作为界面单元。针对某一具体金属型铝合金活塞的铸造凝固过程，按考虑和不考虑铸件与铸型间热阻影响两种方法作了有限元计算，通过与实测值相比较。本文提出的算法其计算精度远高于不考虑铸件与铸型间热阻影响的计算结果。     

复合材料整体化结合界面失效模拟方法研究

复合材料结构界面失效分析有助于复合材料整体化结构细节设计,有必要进行界面失效问题分析.针对复合材料整体化结合界面进行有限元数值模拟失效分析方法研究,对承受不同载荷的结合界面选用不同的建模方法和失效模型.对于层压板失效,在Tsai-Hill判据基础上,增加破坏能判据;对于界面失效,提出基于应力、应变和破坏能的多级判据及其衰减方法.结果表明：本文方法建模简单、计算速度较快、计算结果与试验值吻合性好,可为复合材料整体化结构设计提供工程实用的分析方法.     

三维复杂区域对流换热问题的控制方程及计算

研究并发展了一套计算复杂区域对流换热问题的通用方法并开发了相应的可视化计算程序。针对所建立的一组以直角坐标速度分量表示的非正交曲线坐标系下的三维流动及传热控制方程,采用有限体积方法离散,SIMPLER算法求解,并利用网格界面速度插值方法解决采用非交错网格时出现的压力波动问题。本文利用所开发的程序计算了低散热发动机冷却通道自然对流换热问题。      

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。     

复杂旋转盘轴腔两相流动与传热数值模拟

研究了航空发动机空气系统和润滑系统中复杂的旋转盘腔和旋转轴腔内油气两相流动与传热的数值计算方法,分析了其流动传热特性.以典型小型涡扇发动机的风扇轮盘前腔、风扇轮盘后腔、轴流轮盘前腔、前轴承腔、相关连接气路等组成的多进口、多出口的旋转盘轴腔为对象,研究了用Mixture模型和Eulerian模型计算该系统的速度场、压力场、温度场的方法.结果表明:在相同的计算条件下,两种模型计算的速度场基本一致;两者计算的压力场只在轴流轮盘前腔略有差别,Eulerian模型计算的该腔压力约为Mixture模型计算值的93%;Mixture模型得到温度场较高,由Eulerian模型计算的前、后轴承温度分别约为Mixture模型计算值的93%和94%;Mixture模型计算经济性较好,其迭代一步所需时间约为Eulerian模型的63%.      

火箭垂直发射燃气流场的数值模拟

数值模拟了火箭垂直发射燃气流场的非定常过程,在计算中采用了二阶精度的ＭＵＳＣＬ格式,在引入单调性限制条件和一定的耗散机制后,该方法适应于Ｅｕｌｅｒ坐标系下的计算。计算结果表明,该方法得到的流场激波结构十分清晰,计算结果和实验规律相一致。     

环形回流燃烧室两相反应流场的数值研究

本文在任意曲线坐标系下,采用区域数据即时传递法,对包括冷却通道在内的整个环形回流燃烧室的三维两相反应流进行了数值模拟。气相采用Euler方法处理,并采用标准k-ε双方程紊流模型,EBU-Arrhenius紊流燃烧模型,六通量热辐射模型,液相采用Lagrange法处理。在非交错网格体系下,气相用SIMPLE法求解,液相采用颗粒群轨道模型,并用PSIC算法对其进行数值求解。      

探头式结冰探测器安装位置分析

通过求解雷诺时均Navier-Stokes(N-S)方程获得空气流场,采用欧拉法求解水滴运动场获得水滴运动轨迹.通过计算来流液态水含量等值线距离部件表面的垂直距离,获得部件不同位置上的广义水滴遮蔽高度.研究了不同飞行条件和气象条件下的广义水滴遮蔽高度大小.根据探头式结冰探测器安装位置要求确定探头式结冰探测器的合理安装区域.通过分析不同的状态参数对广义水滴遮蔽高度的影响,为结冰探测器安装位置计算状态参数的选取提供了数据支持.      

飞机水平尾翼水滴撞击特性及防冰热载荷计算

建立了利用欧拉法求解水滴撞击特性的方法,并基于Messinger质量和能量守恒方程建立了热载荷计算模型,以某型飞机三维水平尾翼为研究对象,展开了撞击特性和热载荷的计算.结果显示水平尾翼的局部水收集系数极值从翼根到翼尖逐渐增加,不同截面水滴收集系数的分布为设计防冰系统范围提供了依据.驻点附近及机翼上、下表面各存在一个热载荷较大的区域,进而确定该尾翼电加热防冰分为3个区域:中间连续加热区和上、下表面驻点附近的各一个间断加热区.      

一种用于飞机结冰的海绵冰模型及应用

基于两相流理论,采用欧拉法对飞机结冰进行数值模拟,在空气流场速度分布的基础上,求解水滴流场,得到水滴收集率和撞击极限.结果表明:欧拉法比拉格朗日法在计算水滴收集效率和撞击极限方面有优势,尤其是在较大的水滴平均等效直径情况下.对翼型的冰形和圆柱表面的温度预测数据和实验数据进行对比,圆柱冰形厚度误差在15.0%之内,计算结果与实验结果吻合较好,同时表明结冰模型是有效可行的.      

二维机翼混合相结冰数值模拟

近年来冰晶引发的飞机结冰问题逐渐引起人们的重视。针对冰晶和过冷水滴同时存在的混合相结冰问题,通过数值模拟的方法实现结冰冰形预测。空气流场和对流换热的计算中采用了转捩剪切应力输运（SST）湍流模型,基于欧拉法计算冰晶和水滴收集系数。在Messinger结冰热力学模型基础上进行扩展,分析了二维结冰部件表面在混合相气象条件下的传热传质过程,建立了适用于混合相的结冰热力学模型,同时考虑冰晶的黏附效应,添加黏附效率经验公式。利用FLUENT的用户自定义函数（UDF）编程求解混合相热力学模型,计算了霜冰和明冰条件下NACA0012翼型表面结冰情况,与国外风洞试验结果进行比较,验证了计算模型和方法的有效性。结果表明,冰晶黏附效应对混合相结冰量及冰形有很大影响,明冰条件结冰形状偏向楔形。     

过冷大水滴飞溅特性数值分析

针对过冷大水滴（SLD）撞击结冰表面的飞溅现象,开发了基于欧拉法的二维算法程序,该程序将LEWICE飞溅模型和FENSAP飞溅模型耦合到水滴流场控制方程中进行求解,实现了对SLD撞击特性的准定常计算。根据水滴飞溅模型中对于飞溅生成子水滴质量和速度等信息的定义,通过定义控制方程中的源项,将其耦合到控制方程的求解中,进而研究水滴飞溅效应对于撞击特性的影响。研究发现,由于水滴的飞溅作用,导致翼型壁面附近的液态水含量（LWC）分布发生变化;通过对上述两种典型的SLD飞溅模型进行计算分析,发现了SLD撞击特性的一些共性和不同,并揭示了SLD撞击效应的一般特点。     

航空发动机冰晶结冰研究进展

飞机在高空区域巡航时可能遭遇冰晶气象，导致发动机吸入冰晶颗粒发生结冰故障，欧美等国已将冰晶结冰纳入适航 取证要求，中国也考虑在后续发动机适航取证中增加冰晶结冰考核项目。为了准确掌握国内外冰晶结冰研究现状，通过调研文 献，对比了冰晶结冰与过冷水滴结冰在结冰位置、结冰条件和结冰机理方面的区别，阐述了试验研究和数值仿真方面的重要进展， 其中，试验研究分别介绍了冰晶在静态部件和动态部件内的撞击与结冰过程，数值仿真按照空气流场计算、冰晶运动轨迹和撞击 特性计算及结冰计算的顺序，总结了欧拉法与拉格朗日法的区别、冰晶运动相变与黏附过程及结冰热物理模型，并介绍了冰晶结 冰软件在数值模拟中的广泛应用，提出了目前在冰晶碰撞、结冰热力学模型、结冰探测及风洞试验等方面需要进一步研究的内容， 以期为中国冰晶结冰研究提供参考。