二维平板水漂运动数值模拟

探索平板水漂运动的流体力学现象机理对飞行器着水问题的研究有重要的参考价值。基于有限体积法和k-ε RNG湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,采用流体体积分数（VOF）模型与速度入口造波法构造数值波浪水池,并结合整体动网格方法,完成二维平板在静水面与波浪水面的水漂运动数值模拟。在与试验值和理论值对比的基础上,讨论初始姿态角、投掷角度与投掷速度对水漂运动的影响。进一步研究不同波浪参数和波浪位置对平板水漂的影响,并从能量角度展开分析。结果表明：20°姿态角平板能以最小的投掷速度实现水漂运动;运动中平板能量的相对损失率受初始投掷速度的影响较小,主要受投掷角和姿态角作用,随投掷角或姿态角的增加而增大。波浪情况下,在上行波位置触水的平板能够获得更大的接触面积,而更长的触水时间发生在波谷处;因此,这两个位置触水的平板在水漂运动过程中的相对能量损失大,其数值变化比波峰位置大5%左右;在上行波位置触水时,平板的速度衰减与相对能量损失随着波高的增加而增大,而波峰位置则有相反的变化趋势。     

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

波浪情况下民机水上迫降性能数值分析

为了研究波浪情况下民机水上迫降性能,选用计算流体力学的有限体积法求解非定常不可压缩RANS方程,基于VOF法、整体动网格法、斯托克斯五阶波浪模型和自适应网格技术,以空客A320-200为研究对象,按照适航规章相关要求与建议,构建了民机水上迫降数值仿真模型。首先,对比分析了静水面和波浪水面下飞机水上迫降过程。结果表明：相同初始飞行参数下,波浪水面下最大水平过载为2.42 g,是静水面的1.09倍;最大垂向过载为4.82 g,是静水面的2.82倍。2种情况下,空气垫效应和潜水现象明显,碰撞初段,飞机均受到吸力作用;波浪情况下,跳跃现象出现,但并未对飞机的运动过程产生剧烈影响。其次,研究了波浪参数对水上迫降性能的影响。分析结果表明：同一波峰撞击阶段内,波高越高,则最大水平过载和最大垂向过载越大;波长越长,则最大垂向过载越小;波高越高,波长越长,则最大下沉速度越大。     

高速平板着水数值模拟

探索和揭示物体入水冲击的流体力学现象与机理对飞行器水上迫降问题的研究有重要的参考价值。对高速平板着水涉及到的复杂物理问题展开数值模拟,采用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和标准k-ε湍流模型,流体体积(VOF)模型捕捉水气交界面,整体动网格技术处理平板与水面的相对运动。在二维楔形体入水冲击的算例验证基础上,详细研究平板高速着水引起流体喷溅、射流、空气垫等现象和平板底面压力变化历程,结果表明:空气垫现象明显,俯仰角4°平板下表面出现规律的空气泡,10°时则不存在;平板下表面的水体沿壁面运动,当俯仰角为10°时,壁面水体的运动速度显著增加;在大俯仰角的情况下明显出现负压区。     

大型飞机机身垂直入水冲击特性数值研究

针对带有中央翼盒的某型飞机的机身,数值研究了不同入水速度、姿态角和尾翘角对入水过程中机身压强和冲击力的影响规律。数值模拟中,控制方程选为非定常可压缩流动的雷诺时均Navier-tokes方程(RANS)和实现的k-ε模型,使用体积分数(VOF)方法捕捉水气交界面的变化,采用整体动网格技术来模拟机身相对于水面的运动。结果分析表明:机身入水过程中压强峰值首先出现在喷溅根部,随后转移至机身底部;入水初期机身冲击力系数迅速增大,而后略有回落,入水后期由于中央翼盒冲击水面会导致冲击力系数再次迅速增大,而后小幅震荡。速度越大、姿态角越大、尾翘角越小,机身冲击力系数越小。     

恒定水深船舶数值波流水池构造研究

为研究船舶推进过程中波流相互作用问题,基于不可压缩黏性流N-S方程,采用质量源和动量源方法,建立了恒定水深黏性流船舶数值波流水池,对波流相互作用时流场变化及波形变化进行了研究。通过在水池两端设定稳定入口速度实现水池区域均匀流的生成,同时在水池中间指定区域内添加质量源生成目标波,依靠VOF方法实现自由液面的精确捕捉。模拟的不同工况下波面与速度分布情况与理论结果吻合良好,表明建立的黏性流船舶数值波流水池可以进行波流相互作用数值模拟,并进一步定量分析了水流对波浪参数的影响以及孤立波流相互作用问题。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

自由面碎冰浮冰环境高速入水动力学特性

为了研究碎冰环境下航行体高速入水过程中的空泡流场演化、航行体动力学响应以及碎冰载荷特性等规律,基于任意拉格朗日-欧拉方法建立了碎冰环境下的航行体高速入水流固耦合计算模型,并与高速入水试验、冰材料三点弯矩试验对比验证了方法的有效性和冰材料模型的可靠性。利用构建完成的高速入水流固耦合计算模型重点研究了碎冰以及碎冰间隙对航行体入水过程流场、动力学参数以及载荷的影响。研究结果表明：碎冰的存在对航行体入水后的水面抬升以及产生的飞溅演化存在抑制作用;碎冰环境下航行体的入水冲击载荷显著增加,其过程相较于无冰环境具有更大的动能损耗,但其砰击载荷持续时间与无冰环境入水过程一致;入水形成的飞溅冠连续性随着碎冰间隙的增加而增加,一定碎冰间隙范围内,航行体瞬时砰击载荷与间隙大小呈负相关关系,间隙足够大时,砰击载荷变化相对较小。     

整体运动网格法在飞机水上迫降模拟中的应用

对NACA TN 2929模型的水上迫降性能进行数值模拟研究。采用有限体积法求解RANS方程和r-k-ε湍流模型,采用VOF方法捕捉水气交界面,采用六自由度模型和整体动网格技术处理飞机和水面之间的相对运动。在计算过程中,整个计算域内的网格都随飞机做刚体运动,从而有效避免了传统变形网格技术中的计算成本高、网格质量低的问题。利用该数值方法首先模拟了二维圆柱自由落体入水冲击,计算结果和实验数据吻合较好;然后详细研究了NACA TN2929模型各部件在水上迫降过程中的作用,计算结果表明在分析飞机水上迫降性能时,气动载荷的影响不可忽略。     

着水初始条件对水陆两栖飞机着水性能的影响

针对着水初始条件对水陆两栖飞机静水面降落性能影响的问题,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ω两方程模型求解非定常流场,耦合流体体积模型捕捉自由液面,结合改进的流场域网格划分策略,并借助任意拉格朗日欧拉方法处理机体、网格和水气交界面三者关系。基于上述方法,探讨初始姿态角、下降速度和前飞速度对着水性能的影响,其中驾驶舱与重心位置加速度、气动力与水动力、俯仰角与吃水深度等参数变化被考虑在内,逐步得到最优着水初始条件。结果表明：增大初始姿态角有利于减缓飞机各位置除初次触水过载峰值外过载峰值的变化。当飞机俯仰力矩出现极值时,驾驶舱垂向过载显著大于其他方向和位置过载。减小初始下降速度,各加速度值也随之减小,值得注意的是重心垂向加速度值与初始垂向下降速度平方值存在线性变化关系。着水前飞速度的选取应使得气动升力略大于重力,飞机才能获得更佳的着水性能。     

Detonation waves induced by a confined wedge

An auto-ignition detonation phenomenon can be initiated by a wedge confined in a channel. A new, self-sustaining, normal detonation wave engine concept is proposed. The detonation processes were numerically modeled with a simplified two-dimensional wedged channel flow that was deemed to emulate a real three-dimensional configuration. The results showed that within certain ranges of incoming flow Mach number or wedge angle, detonation could be self ignited in the channel. The study furthermore investigated the detonation waves based on three different detonation initiation positions. Different configurations of the detonation waves were observed and analyzed. The performance of the different detonation wave configurations was estimated and compared.     

斜爆轰波的波角和法向速度-曲率关系初探

为研究斜劈诱导斜爆轰波的波阵面弯曲效应，以期为斜爆轰的不稳定性及其演化规律提供新的见解，基于加权本质无振荡（WENO）格式空间离散和附加Runge-Kutta方法时间离散的求解器，针对不同的化学反应参数（释热量、放热速率和化学反应区参考长度）条件，开展斜爆轰波的数值计算研究。结果表明斜爆轰波沿波阵面的波角变化可分为3个区域：区域I，波角平滑减小；区域II，波角跃升后衰减；区域III，波角有规律振荡。波阵面法向速度-曲率关系在区域I呈现准垂直直线变化趋势，并伴随着爆轰波强度的不断衰减；在区域III则呈现出"D"形曲线，即由极曲线段、光滑水平变化段和拟线性变化段组成，为类胞格结构的周期性演变；区域II可认为是以上两个区域特征的耦合。不同的化学反应参数对斜爆轰波波阵面的弯曲效应影响存在较大差别。     

Shock/shock interactions between bodies and wings

This paper examines the Shock/Shock Interactions (SSI) between the body and wing of aircraft in supersonic flows. The body is simplified to a flat wedge and the wing is assumed to be a sharp wing. The theoretical spatial dimension reduction method, which transforms the 3D problem into a 2D one, is used to analyze the SSI between the body and wing. The temperature and pressure behind the Mach stem induced by the wing and body are obtained, and the wave configurations in the corner are determined. Numerical validations are conducted by solving the inviscid Euler equations in 3D with a Non-oscillatory and Non-free-parameters Dissipative (NND) finite difference scheme. Good agreements between the theoretical and numerical results are obtained. Additionally, the effects of the wedge angle and sweep angle on wave configurations and flow field are considered numerically and theoretically. The influences of wedge angle are significant, whereas the effects of sweep angle on wave configurations are negligible. This paper provides useful information for the design and thermal protection of aircraft in supersonic and hypersonic flows.     

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

作为一种面向未来高马赫数吸气推进技术的新概念发动机,斜爆轰发动机的运行依赖其稳定的宏观波系结构。本文针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析爆轰波系结构转变的临界条件。研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构：激波诱导燃烧,斜爆轰波双规则反射,回流区马赫反射,楔面燃烧。对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界、亚临界以及超临界三种极限条件,在波系演变过程还伴随激波规则反射和马赫反射的转变。     

一种适用于颗粒非规则分布的阻止SPH数值断裂的方法

 〖HT5”H〗摘〓要〖HTSS〗: 光滑粒子流体动力学(SPH)方法已广泛应用于航空航天领域中大变形的碰撞计算。数值断裂是SPH计算中一种常见问题,可严重影响计算结果。把适用于颗粒规则分布的阻止SPH数值断裂的方法推广到颗粒非规则分布的情形,得到了一种适用于颗粒非规则分布的阻止数值断裂的加颗粒方法。然后将该方法应用于存在数值断裂的悬臂梁弯曲仿真计算,验证了其有效性。最后把该方法应用于弹丸撞击飞机蒙皮的非规则颗粒模型计算,并和规则颗粒模型得到的结果及试验结果进行比较。对比结果表明：对于非规则分布的颗粒模型,该加颗粒方法可有效地阻止数值断裂,提高计算精度,并可较为普遍使用。     

Influence of shock attenuation on tailored operation in free piston shock tunnels

The free piston shock tunnel is a type of shock tunnel with high performance. For this type of tunnel, the influence mechanism of shock wave attenuation on tailored operation is explored by numerical simulation and theoretical analysis. By introducing the normalized velocity, the simple constraint equation for shock wave under the tailored operation is deduced. Moreover, the real gas effect is also taken into account in this equation. Based on the equation, the tailored operation of shock tunnels can be predicted with very few calculations. The present study shows that the change rate of the thermodynamic state of the gas behind the shock wave is inconsistent with the attenuation rate of the shock wave, which is the fundamental reason why the wind tunnel achieves tailored operation at a lower Mach number of shock waves. This lower Mach number of shock waves differs from the corresponding ideal value by a factor, which is about the square root of shock attenuation rate.     

质量偏心旋转机械碰摩故障特征及全息谱分析

本文针对仅考虑质量偏心的Ｊｅｆｃｏｔ转子碰摩的动力学方程,用二维全息谱理论研究了各阶谐波特性,得出碰摩的重要特征;分析了摩擦系数、转速对进动规律的影响,发现在摩擦系数较小时不平衡力引起的规则正进动起决定作用,较大时一定转速下将出现拟周期运动及失稳。     

Love Waves in Layered Graded Composite Structures with Imperfectly Bonded Interface

Theoretical analysis and numerical calculations of Love wave propagation in layered graded composites with imperfectly bonded interface are described in this paper. On the basis of WKB method, the approximate analytic solutions for Love waves are obtained. By the interface shear spring model, the dispersion relations for Love waves in layered graded composite structures with rigid, slip, and imperfectly bonded interfaces are given, and the effects of the interface conditions on the phase velocities of Love waves in SiC/Al lay- ered graded composites are discussed. Numerical analysis shows that the phase velocity decreases when the defined flexibility parameter is greater. For the general imperfectly bonded interface, the phase velocity changes in the range of the velocities for the rigid and slip interface conditions.     

运动激波绕射过程中的粘性效应

应用 TVD格式求解二维非定常全 N- S方程 ,以研究运动激波绕射现象。考虑粘性后 ,绕凹角流动时 ,压缩拐角附近表面压力分布与实验结果更为符合 ;绕凸起物时 ,出现反射激波因边界层干扰根部加宽 ,前、后角点附近有局部分离与再附 ,并引起局部压力上升 (与无粘流场模拟相比 )等现象。结果表明 ,全 N- S方程可较好地模拟实际粘性流中复杂激波障碍物干扰流场特性