抛物化稳定性方程在曲面边界层中的应用

为了研究抛物化稳定性方程在曲面边界层中的应用,选取了等曲率圆环管道、等曲率板和NACA0012翼型3种典型的曲面边界层.通过计算小幅值扰动波的演化,抛物化稳定性方程的计算结果和线性稳定性理论、数值模拟扰动方程结果相符,说明可以使用抛物化稳定性方程研究曲面边界层的小幅值扰动波的演化和稳定性分析;通过计算有限幅值扰动波的演化,线性阶段抛物化稳定性方程计算结果和扰动方程相符,在非线性很强的阶段,抛物化稳定性方程计算发散,发散的位置可作为转捩位置.      

基于线化稳定性理论的后掠翼边界层内横流稳定性研究

采用Mack方法求解忽略曲率和压缩性的三维线化稳定性方程（Orr-Sommerfeld方程）,针对无限展长后掠翼,计算分析边界层内不同波长横流驻波沿弦向的放大率,确定最不稳定波的波长。计算结果与参考文献中的实验结论和计算结果符合较好,表明该方法能够准确的预测出最不稳定波的波长,可以用来指导横流驻波主导下的后掠翼流动稳定性问题研究。     

可压缩非平行流边界层稳定性研究

 采用线性稳定性理论和多重尺度方法,研究三维可压缩的非平行流边界层稳定性问题。分析了可解条件的特征,导出精确计算所需的伴随问题方程渐近外边界条件的矩阵表达式,给出有控制的重正化方法,以有效地克服刚性方程在积分求解中的困难。探讨与非平行性作用相关的方程和影响因素,特别是新的特征函数畸变对扰动增加率的作用。通过算例,清楚地显示了流动的非平行性对边界层稳定性的影响。     

后掠翼可压缩三维边界层稳定性计算

采用可压缩线化稳定性理论对后掠机翼的层流边界层稳定性进行了计算研究。对三维边界层中三维扰动波的可压缩稳定性方程组特征问题采用相关两步格式求解。与常用的初值法相比,具有不需预估特征值和快速收敛的特点。为得到渐近边界条件的准确表达式,导出了外边界上方程的解析解,这对精确的特征值计算和分析至关重要。为避免出现伪不稳定模态,选择了合适的稳定性方程组形式。最后,通过层流控制机翼和自然层流机翼的算例,研究了后掠翼上典型Tollmien-Schlichting(T-S)型扰动和横流(C-F)扰动稳定性问题,其结果与已有计算结果符合甚好。     

机身边界层控制研究

对带壁面抽吸的三维可压缩机身边界层控制进行了计算研究。采用了非正交曲线坐标系边界层方程,通过修改矢量流函数关系式,将壁面法向速度转变成为控制方程的一个可调参数,从而消除了边界条件与方程未知参量之间的非线性耦合;所发展的横向分段推进数值技术,可用于计算横流速度在横向多次反号的复杂边界层流动;设计不同的壁面抽吸系数分布,以研究边界层控制对多种边界层特性的影响。结果表明:壁面抽吸对边界层的控制效果是显著的,合理的抽吸分布能有效地减小机身阻力。     

超声速非平行边界层的非线性稳定性研究(英文)

用非线性抛物化稳定性方程(NPSE),研究超声速非平行边界层的扰动波的非线性演化过程。发展了高精度的数值方法,对NPSE进行有效求解和稳定推进。计算得到了各谐波的振幅增长曲线和不同的扰动剖面函数,特别是展示了谐波之间的非线性作用的物理特征,包括流向涡、展向涡和Λ结构的形成和演化等,以进行转捩过程的机理研究和分析。NPSE的计算结果显示了这个新方法是研究超声速边界层非线性稳定性的有效方法。     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

平板边界层中展向波包型扰动引起的转捩

过去在平板边界层转捩及湍流的研究中,主要考虑的扰动在展向是均匀分布的,这样有利于研究,但在实际问题中扰动形式是多样的,边界层可能是三维的,扰动在展向是不均匀的。对于以往研究的扰动来说,三维平板边界层中的展向非均匀扰动是比较复杂的扰动形式,更接近自然转捩,因此研究这种扰动引起的转捩和湍流具有重要的实际意义。基于此,针对平板边界层,控制方程为无量纲化的Navier-Stokes扰动方程,时间上采用三阶精度的差分格式,空间上展向采用伪谱方法,流向和法向采用高阶精度差分格式,应用数值模拟的方法研究了小幅值和有限幅值展向波包两种情况。通过数值模拟和线性稳定性理论分析小幅值波包的演化,得到了小幅值波包的演化符合线性稳定性理论(LST);分析了有限幅值的展向波包型扰动引起的转捩和湍流,描述了物理空间和谱空间中波包型扰动的演化特征;同时针对不同展向位置进行分析,结果表明不同展向位置的转捩位置不同,但转捩过程和特征是类似的。     

基于线性稳定性理论的转捩控制试验

 使用线化稳定性理论研究了某后掠机翼试验模型在风洞试验条件下可能的试验结果。在当前试验条件下,三维边界层中横流驻波的不同波长扰动发展趋势不同,根据理论分析和数值计算给出了最大放大率波长为4.0 mm。通过升华法试验验证了理论分析与数值计算结果。在试验中使用丝网印刷技术在后掠机翼前缘添加粗糙带,成功地引入了理论计算的最大放大率波长。根据预期影响了三维边界层的转捩。     

机翼边界层的横流稳定性分析和转捩预测

通过求解经典O-S方程(LST)、扩展的O-S方程(EOS)和线性抛物化稳定性方程(LPSE),对展向无限长、后掠角25°、迎角0°、来流Mach数0.8、单位Reynolds数6.79×106/m的机翼边界层进行了稳定性分析,结合eN方法进行了转捩预测。研究发现无限长后掠机翼在(x,ω)平面上的中性曲线没有下支,在(x,β)平面上的中性曲线呈反拇指的形状,横流不稳定性在机翼前缘占主导作用。当外界扰动进入边界层后,幅值将被直接放大,对于频率相同的扰动,首先是展向波数β大的增长起来,演化到一定位置开始衰减,然后是展向波数β小的逐渐增长起来,并且增长的指数N逐步超过波数大的扰动。转捩在机翼前缘完成,引起转捩的扰动波的展向波长约为2mm。     

后掠平板横流不稳定性

本文研究了无限后掠平板三维边界层的横流不稳定性，证明行进波和定常波几平同时失稳，且行进波比定常波更不稳定；     

超声速有翼飞行器的无粘分区数值模拟

本文采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式，用空间推进法求解Ｅｕｌｅｒ方程来对有翼飞行器的超声速绕流流场进行数值模拟，应用特征边条件处理场面边界及装配激波的计算，在翼缘及表面斜率不连续处，采用局部解析处理，提高了算法的可靠性，复杂外形的计算采用分区处理技术，网格由代数形式生成，在大攻角的计算中，通过对横流速度型的修正改善了背风面压力分布特性，解决了推进中断问题，同时模拟出背风面涡。     

三维机翼可压缩层湍流边界层计算

 从三维时间相依可压缩边界层动量积分方程和平均流动能积分方程出发,将二维可压缩层、湍流边界层积分方程算法推广到求解有限翼展后掠机翼的边界层流动。利用四步Runge-Kutta时间步进方案数值求解积分方程组,并利用当地时间步长加速迭代收敛。文中分析了数值方法的稳定性与收敛性,并考查了横向耗散项对计算结果的影响。算例表明,能获得令人满意的三维机翼定常可压缩层、湍流边界层的计算结果。     

Improved local amplification factor transport equation for stationary crossflow instability in subsonic and transonic flows

Transition prediction is a hot research topic of fluid mechanics. For subsonic and transonic aerodynamic flows, e^N method based on Linear Stability Theory (LST) is usually adopted reliably to predict transition. In 2013, Coder and Maughmer established a transport equation for Tollmien-Schlichting (T-S) instability so that the e^N method can be applied to general Reynolds-Average-Navier-Stokes (RANS) solvers conveniently. However, this equation focuses on T-S instability, and is invalid for crossflow instability induced transition which plays a crucial role in flow instability of three-dimensional boundary layers. Subsequently, a transport equation for crossflow instability was developed in 2016, which is restricted to wing-like geometries. Then, in 2019, this model was extended to arbitrarily shaped geometries based on local variables. However, there are too many tedious functions and parameters in this version, and it can only be used for incompressible flows. Hence, in this paper, after a large amount of LST analyses and parameter optimization, an improved version for subsonic and transonic boundary layers is built. The present improved model is more robust and more concise, and it can be applied widely in aeronautical flows, which has great engineering application value and significance. An extensive validation study for this improved transition model will be performed.     

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。     

亚跨超音速喷管内流场的整体矢通量分裂算法

从N－S方程出发，采用先进的矢通量分裂算法，对亚跨超音速喷管内流场进行了整体模拟计算。文中对几种不同计算格式的计算效率进行了比较，给出了超音速占优混合流动的直接分割求解方法。计算采用代数湍流模型，跨音速段的计算结果同其它实验和计算结果进行了比较。计算中发现对出口边界条件进行亚音速、超音速和有回流分别处理很有必要；边界层内的M数沿壁面法向变化非常快；不同壁温条件和不同的流动Re数均会改变边界层的厚度。     

时间推进积分方程法求解非定常跨声速流动

本文提出了一种求解非定常跨声速流动的新方法——时间推进积分方程法,此法克服了时间线化积分方程法的限制,能较好地模拟激波的运动。本文首先用一维波(?)问题——模型问题阐明此法的基本思想,然后将它应用于二维非定常跨声速流动中。本文还首次引入拟速度位的概念,使时间推进积分方程式得到简化,尾涡条件和Kutta条件更易处理。数值计算表明时间推进积分方程法是合理可靠的。