粗糙元诱导的高超声速边界层转捩

基于有限体积方法,直接数值模拟了高超声速边界层内不同形状粗糙元导致的强制转捩现象;为了能够深入探究强制转捩机理,解析小尺度运动,同时又能够较好地捕捉激波,采用高阶色散最小耗散可调（MDCD）格式对Navier-Stokes方程组对流项进行重构。计算结果表明,数值结果与对应的实验值吻合较好;该方法能解析小尺度的流动结构以及规则结构的破碎与失稳过程,可揭示粗糙元引起的强制转捩机理,即此类强制转捩主要由粗糙元顶部的三维剪切层失稳导致。对多种粗糙元的转捩效果进行了定量研究,影响因素包括粗糙元形状、几何参数等。     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。     

分布式粗糙元对高超声速边界层不稳定性的影响试验

高超声速边界层转捩是空气动力学亟须研究的关键问题之一。飞行器表面的热防护系统会由于高温烧蚀产生宏观分布式粗糙元形貌,但是目前该宏观烧蚀形貌对高超声速边界层内不稳定波演化机制的影响尚不明晰。基于华中科技大学?0.5 m马赫数6 Ludwieg管风洞,利用高频压力传感器（PCB）和红外热像仪等测量手段,重点研究了分布式粗糙元布置位置和宽度对零攻角下7°半张角尖锥模型高超声速边界层不稳定波演化特征和转捩位置的影响。试验结果表明,将分布式粗糙元布置于同步点之前会促进第二模态不稳定波的演化,且越靠近前缘位置粗糙元宽度因素对下游不稳定波演化影响越小;但随其分布位置向下游移动,促进转捩作用减弱,对不稳定波的非线性交互抑制效果更为明显,转捩位置随之后移。     

离散粗糙元诱发边界层转捩的实验研究

针对直升机转子叶片模型表面离散粗糙元诱发边界层转捩问题开展了实验研究,分析不同雷诺数下粗糙元尺寸参数对转捩位置的影响。实验在中航工业气动院直升机转子叶片模拟装置进行,在模型转子叶片表面布置不同尺寸的离散柱状粗糙元,利用红外热像技术探测边界层转捩,并提出一种基于湍流／层流区域面积比的转捩位置判定准则,目的是实现边界层转捩位置自动识别,进而分析粗糙元尺寸参数对转捩位置的影响。实验转速为300至600 r／m,对应叶尖切向速度为25～40 m／s。实现了对旋转叶片边界层转捩位置的定量测量,通过实验验证,转捩位置判定算法正确可靠,初步得到了不同高度 DRE 诱发转捩位置与雷诺数之间的关系,随着粗糙元高度的增加,转捩位置逐渐靠前。     

跨声速自然层流短舱气动设计和风洞试验研究

层流控制技术是一个降低摩擦阻力的有效手段,为了设计出更经济、更环保的民用客机,需要开展层流技术的应用探索。随着飞机发动机技术的不断进步,涡扇发动机涵道比在不断增大,因此,短舱尺寸也在跟着加大,如果短舱上能够实现大面积的层流,就可以为全机带来较明显的经济性收益。本文总结了针对宽体客机开展的自然层流(NLF)短舱气动设计、数值计算和风洞试验验证工作。首先针对层流短舱外形进行气动设计,保证巡航点有一定的顺压梯度,随后采用带有γ-Reθ转捩模型的计算流体力学(CFD)工具对设计方案层流区域进行评估,最后开展风洞试验对设计方案和转捩预测工具进行校核验证。该试验在德国ETW跨声速风洞进行,对层流短舱高速气动性能进行校核,采用TSP进行转捩位置测量,结果表明层流区域长度占短舱外表面弦长的30%～55%。     

后掠机翼人工转捩最佳粗糙带高度数值预测

介绍了基于当地变量的γ-Re_θ转捩模型,并将该模型应用到后掠机翼的转捩预测和人工转捩最佳粗糙带高度以及人工转捩技术能够模拟的大气飞行雷诺数的确定中。为检验γ-Re_θ转捩模型对后掠机翼转捩的预测能力,对ONERA M6机翼和DLR-F4标模机翼进行了边界层转捩预测,采用结构化网格和有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,得到了机翼表面的摩擦阻力系数分布,从而可以得到相应的转捩位置,预测得到的转捩位置与试验结果比较吻合,说明该模型对后掠机翼转捩预测是可信的。最后在DLR-F4标模机翼上表面固定了粗糙带,通过相同的方法得到了转捩位置,从而确定了马赫数为0.785、雷诺数为3.0×10⁶时最佳粗糙带高度为0.11 mm;通过不断增大雷诺数使自由转捩位置不断向前缘移动,验证了人工转捩对大气飞行雷诺数的模拟能力。结果表明,在最佳粗糙带高度为0.11 mm下,可以实现对大气飞行高雷诺数的模拟。     

前体边界层状态对高超声速进气道流动结构及性能的影响

采用CFD方法研究了前体边界层状态对轴对称高超声速进气道的波系结构、激波/边界层干扰特性以及流量捕获能力、总压恢复系数等的影响,获得了不同马赫数下进气道性能参数随一级锥边界层强制转捩位置的变化规律,并对采用二维粗糙体作为强制转捩措施给流场所带来的干扰进行了分析,研究中还对比了具体进气道设计方案间的差别.      

高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

TSP技术在转捩检测中的应用研究

在研究型风洞中进行TSP转捩检测技术的应用研究,以NACA0012二元翼型为研究对象,获得了模型表面转捩位置。试验中应用了国内具有自主知识产权的TSP涂料,对模型进行了预加热,模型预加热的目的是提升TSP涂层的温度敏感度,并增大模型表面层流区与湍流区之间的温度差。模型表面粘贴了标记点,目的是将其作为图像对准的控制点,同时,模型前缘附近的标记点也可以作为人工固定转捩的粗糙元,起到强制气流转捩的目的。试验马赫数为0.4,迎角α为0°~-4°,试验结果清晰地显示了模型表面的层流区与湍流区及其随迎角的变化,表明所用的TSP涂料在本试验中具有良好的适用性,模型前缘附近标记点也起到了粗糙元的作用。     

γ-Re_θ转捩模型在高超声速下的应用及分析

为了初步研究γ-Reθ转捩模型在高超声速领域的适用性,在自行开发的CFD程序中添加了该模型,利用T3系列平板算例对该模型的实现进行了验证;针对高超声速流动,选取压缩面绕流和双圆锥扰流等算例,分别利用该转捩模型、全层流模拟、以及传统的湍流模型进行了数值模拟计算,并与实验结果进行对比。计算结果表明,尽管该转捩模型是在低速流动的基础上发展的,它仍能准确预测高超声速流动下的转捩现象。     

二维机翼二自由度跨音速颤振分析

 <正> On the assumption that airfoils take small amplitude ha-rmonic oscillating and middle reduced frequency, the two-dimensional, inviscid, small-disturbance nonlinear unsteady transonic flow equation can be split into two parts. One is the nonlinear steady small-disturbance equation, the other is the time-linearized unsteady small-disturbance equation. The steady equation is solved by Carlson code. The unsteady equation is solved by integral method. The standard v-g method is used to solve the flutter eigenvalue equations. A transonic flutter analysis is performed for a NACA 64A006 airfoil with pitching and plunging degrees of freedom.The Mach numbers considered are 0.7, 0.8, and 0.85. The aerodynamic coefficients are obtained by the above method. For each Mach number, the flutter speed and the corresponding flutter reduced frequencies are achieved by varying the airfoil-airmass ratio, plunge-pitch frequency ratio. The results are compared with other computational method and good agreement has been observe     

跨音速风洞实验段中气流的加速问题

 在跨音速实验段的加速段的设计中存在这样的矛盾,即若要流场均匀则加速段长;若希望加速段短,则会加速过快而出现过膨胀现象。目前,实验研究不能给出可供设计用的一般规律。通过分析,本文试图找出其规律。1.加速段开闭比的分布规律 喷管的扩张段和跨音速实验段的加速段均可将音速气流加速到超音速,两种加速方法从结构上看不同,但膨胀加速的机理是相同的。     

Stability and waves of transonic laboratory and space plasmas

The properties of magnetohydrodynamic waves and instabilities of laboratory and space plasmas are determined by the overall magnetic confinement geometry and by the detailed distributions of the density, pressure, magnetic field, and background velocity of the plasma. Consequently, measurement of the spectrum of MHD waves (MHD spectroscopy) gives direct information on the internal state of the plasma, provided a theoretical model is available to solve the forward as well as the inverse spectral problems. This terminology entails a program, viz. to improve the accuracy of our knowledge of plasmas, both in the laboratory and in space. Here, helioseismology (which could be considered as one of the forms of MHD spectroscopy) may serve as a luminous example. The required study of magnetohydrodynamic waves and instabilities of both laboratory and space plasmas has been conducted for many years starting from the assumption of static equilibrium. Recently, there is a outburst of interest for plasma states where this assumption is violated. In fusion research, this interest is due to the importance of neutral beam heating and pumped divertor action for the extraction of heat and exhaust needed in future tokamak reactors. Both result in rotation of the plasma with speeds that do not permit the assumption of static equilibrium anymore. In astrophysics, observations in the full range of electromagnetic radiation has revealed the primary importance of plasma flows in such diverse situations as coronal flux tubes, stellar winds, rotating accretion disks, and jets emitted from radio galaxies. These flows have speeds which substantially influence the background stationary equilibrium state, if such a state exists at all. Consequently, it is important to study both the stationary states of magnetized plasmas with flow and the waves and instabilities they exhibit. We will present new results along these lines, extending from the discovery of gaps in the continuous spectrum and low-frequency Alfvén waves driven by rotation to the nonlinear flow patterns that occur when the background speed traverses the full range from sub-slow to super-fast. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

跨音速压气机叶栅流动有粘-无粘相互作用的迭代计算

 本文利用较为先进的附面层内法向速度分布等半经验相关式,发展了一种适用于大逆压梯度的附面层积分方法。将激波近似地用大逆压梯度代替,对湍流附面层进行了快速计算,再将求得的附面层参数与无粘主流计算通过建立适当的数学模型结合起来,反复迭代后将计算结果与实验数据及无粘计算的结果比较,可以看出有粘-无粘迭代对无粘计算结果有明显改进。     

自适应多重网格法在跨声速势流计算中的应用

用全近似格式求解了轴向大扰动，径向小扰动的跨声速势流方程。并采用自适应多重网格技术控制粗细网格层间的迭代转换，采用嵌套迭代技术较好地选取了初值。数值计算表明：自适应多重网格法可使计算效率提高８倍以上。     

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。     

单级跨音速压气机三维非定常粘性流动计算

本文以数值求解雷诺平均非定常N-S方程方法完成了单级跨音速压气机动静叶相干三维非定常粘性流动计算,给出了高分辨率NND格式的时间推进有限差分解。对某跨音速单级压气机进行了定常和非定常流的详细数值计算,设计转速下定常粘性流场计算所得到的性能参数与实验结果吻合较好。在此基础上,对最高效率状态进行了动/静叶相互干扰的非定常流动计算,并对结果进行了分析。      

有限体积时间推进法在跨音速扩压器湍流流场中的应用

本文提出了一种有限体积时间推进法,将其应用于均化N-S方程的求解,模拟跨音扩压器的湍流流场,并采用空间变时间步长和多重网格技术加快收敛速度。计算结果与有关文献的实验数据吻合良好。     

线性GMRES算法在求解全速位方程中的应用

从全速位方程出发,利用压强极小积分得到有限元方程组。采用适用于有限元法的块结构网格生成技术,给出求解有限元总体方程组的线性GMRES算法。该算法比线松弛迭代法的收敛速度快得多。对M6机翼跨音速有升力情况进行了计算,其结果与实验值符合较好。