双向顺序耦合法求解动力响应的试验验证

为验证双向顺序耦合法求解的可信性,设计并建立一套气流激振下叶片结构的动力响应试验系统.通过平板叶片振动响应的计算与试验对比分析,验证双向顺序耦合法适用于非共振状态以及共振状态的动力响应求解,数值仿真结果可以准确地反映振动响应的时域变化规律和频域特征.计算求得的振动位移和振动应力具有较好的计算精度,相对误差在40%以内,...     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

隐式耦合求解燃烧室内喷雾两相流场

在任意非结构网格下,采用开源程序对某型涡喷发动机环形燃烧室内的喷雾燃烧过程进行数值模拟.首先选用k-ε双方程模型、EBU(eddy break up)-Arrhenius紊流燃烧模型、颗粒随机轨道模型等模拟流场中的物理过程.然后用隐式耦合算法求解气相流动、拉格朗日方法跟踪液滴相在流动区域的运动,并考虑气相与液滴相的完全双向耦合作用.仿真实验得到的 燃烧室内温度分布、马赫数分布、速度分布、压力分布均较合理,温度分布与文献中的基本一致,这表明隐式耦合方法能够较好地模拟燃烧室内流场,反映其内部流动特点.      

带壁面射流燃烧室燃烧数值模拟

利用基于非结构化网格有限体积法对三维有壁面射流的燃烧室内两相流动和燃烧进行了数值研究.对气相流动在Euler坐标系下求解,而对液滴相则利用Lagrange方法进行追踪求解.计算区域采用四面体网格进行划分,气相流场用SIMPLEC计算方法,对液滴相采用了欧拉隐式方法.考虑了液滴相与气相的完全双向耦合作用,分别采用了Spalding液滴蒸发模型和涡破碎(EBU)燃烧模型,数值计算结果与文献中实验数据吻合较好.      

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.     

粘弹性蜻蜓型翼挥拍的流固耦合求解途径初探

昆虫翼挥拍时的动态变形与受到的惯性力和气动力是相互影响的,这是一个复杂的流固耦合过程,本文利用简化的非定常气动力估算方法、简化的昆虫翼结构模型和简化的拍动方式,对该问题的耦合求解途径做了初次探索.首先,在比较了昆虫翼拍动中受到的惯性力和气动力大小的基础上,阐明了耦合求解蜻蜓翼变形过程的必要性.其次,提出一个迭代求解该耦合问题的简化方案,并利用有限元数值模拟了粘弹性蜻蜓模型翼绕定轴往复挥拍的变形过程,比较了耦合气动力前后的模型翼变形,并初步分析了能耗变化.     

一种CFD/CSD耦合计算方法

针对柔性大展弦比机翼气动弹性分析和主动弹性机翼(AAW)设计发展了一种计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法。其主要思想是采用在同一物理时间弱耦合求解CFD/CSD技术。气动力采用非定常N-S方程的双时间有限体积求解技术,结构响应则采用有限元数值求解技术。CFD和CSD耦合计算的边界信息(气动力和网格)由所设计的界面程序传输。网格信息传输采用守恒体积转换(CVT)方法将CSD计算结构响应位移插值到CFD网格点上。变形已有的CFD网格技术用以确定CFD的变形网格。以位移或载荷的迭代误差为判断耦合计算的收敛标准。最后得到了机翼在Ma=0.8395,α=5.06°时CFD/CSD耦合计算的收敛值。针对计算结果分析了机翼受静气动弹性过程中结构响应和气动特性随时间变化的效应。初步研究结果表明:这种弱耦合方法求解非线性气动弹性问题是可行的。     

基于非结构网格的气动弹性数值方法研究

基于非结构网格和网格变形技术,研究了耦合求解流体和弹性结构体互相作用问题的数值方法.气动弹性模型采用了耦合求解可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程和线性结构动力学方程的方法.为了能处理在复杂几何域内的问题,采用了基于混合单元的非结构网格有限体积方法.开发的方法在二维翼型简谐振动进行了验证并应用于AGARD 445.6翼型颤振边界的数值模拟.      

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上，建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数，将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件，实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算，避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术，将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热，采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟，获得了飞机舱内的瞬态温度场，分析了相关因素的影响，为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。     

临近空间高速飞行器抛罩过程的动网格方法对比

飞行器抛罩是一个复杂的动力学、流体力学耦合问题,涉及六自由度运动方程与N-S方程的耦合求解,其中动网格非定常计算是关键技术。针对二维临近空间高速飞行器,将耦合过程简化为匀速旋转抛罩,对比分析了光顺重构法、重叠网格法、域动分层法三种工程易行的动网格方法的仿真结果,并得到如下结论:三种方法在整流罩关闭状态下的定常流场结果一致,均能捕捉到非定常开罩过程的典型特征,得到正确的起动结果;在非定常过程中光顺重构法的分离区吞入速度慢于重叠网格法和域动分层法;重叠网格法的计算通用性最好,域动分层法的计算速度最快,光顺重构法的理论精度最高;由于光顺重构法的网格更新对于复杂模型容易失败,域动分层法只能处理运动轨迹已知的问题,三维动力学耦合计算建议采用重叠网格法;在进行整流罩的三维设计时,应考虑溢流效应以缩小整流罩前方的大分离区,降低飞行器的控制及热防护上的困难。     

逆风因子法在非正交曲线坐标系中解不可压N-S方程中的应用

所谓的逆风因子法就是分别用二阶精度公式计算出对流项和扩散项的贡献,然后按此两项贡献的比值来确定一个逆风因子,来保证对流扩散方程数值解的精度和稳定性。这种逆风因子法是作者在用有限元素法解不可压N-S方程中提出来的。本文将逆风因子法应用于在非正交曲线坐标系中用有限差分法解不可压N-S方程。      

Stationary flow fields prediction of variable physical domain based on proper orthogonal decomposition and kriging surrogate model

In this paper a new flow field prediction method which is independent of the governing equations, is developed to predict stationary flow fields of variable physical domain. Predicted flow fields come from linear superposition of selected basis modes generated by proper orthogonal decomposition(POD). Instead of traditional projection methods, kriging surrogate model is used to calculate the superposition coefficients through building approximate function relationships between profile geometry parameters of physical domain and these coefficients. In this context,the problem which troubles the traditional POD-projection method due to viscosity and compressibility has been avoided in the whole process. Moreover, there are no constraints for the inner product form, so two forms of simple ones are applied to improving computational efficiency and cope with variable physical domain problem. An iterative algorithm is developed to determine how many basis modes ranking front should be used in the prediction. Testing results prove the feasibility of this new method for subsonic flow field, but also prove that it is not proper for transonic flow field because of the poor predicted shock waves.     

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

局部流动分离诱导结构振动问题的数值模拟

基于非结构网格技术和SST-DES模型,采用流体与结构紧耦合策略,对飞机机身突出物（如雷达罩）下游的蒙皮振动过程进行了数值模拟计算。在求解NS方程过程中,使用有限体积法,结合有限元法求解结构运动方程。在时间域内模拟了不同结构参数和飞机不同迎角下的飞机蒙皮的结构响应,建立了亚音速条件下壁面流固耦合分析方法。计算结果表明：机身突出物诱导出的分离涡的确可以激发下游壁面的振动,其壁面振动的幅度与结构本身参数密切相关,振动主要为发生在壁面的法向上,随着迎角增加,壁面的振动减弱。通过基本原理和算例可以看出,方法可以预测不同条件下壁面的动态响应过程,适用范围宽,可以用于壁面结构的设计。     

基于双时间步法的航空发动机过渡态仿真

对于航空发动机非线性大偏差过渡态过程的仿真,容积动力学法在实时性和鲁棒性方面具有优势。这一方法通过建立容腔部件的控制方程并进行简化,可以得到描述主燃烧室、外涵道和加力燃烧室等部件的常微分方程,并采用时间推进法求解发动机稳态工作点,采用显式欧拉法求解过渡态过程。本文进一步发展了该方法,对于过渡态过程,采用隐式求解以保证计算格式的收敛性,消除由二阶差分带来的非物理振荡,并引入双时间步法以简化隐式求解过程,使得仿真程序收敛迅速。仿真实验证明,该方法计算精度高,鲁棒性强,能够满足非线性大偏差条件下对于发动机实时仿真的要求。     

烟火点火器多物理场耦合仿真分析

电火工品在复杂电磁环境下的物理状态变化一般都包含了电磁 -热耦合过程,采用单一物理场建模仿真的方法很难得到准确的结果。因此,采用 ANSYS Workbench仿真平台,建立了烟火点火器的多物理场耦合仿真分析模型。首先,建立了烟火点火器的 HFSS仿真模型,得到了桥丝上的功率损耗;然后,将桥丝的损耗功率输入稳态热分析模型作为激励条件,并通过稳态热仿真分析得到了桥丝上的温度分布。仿真结果表明,该方法物理过程清晰,仿真结果准确可靠。     

高速运动弹丸诱导的瞬态流场数值研究

采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方程的动网格及嵌入网格法,结合二阶精度Roe格式和沉浸边界法,对弹丸由高压气体驱动从静止状态加速至超声速,射出膛口到完全飞离初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果,详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程.      

液体火箭发动机燃烧不稳定性分析模型

通过一个简化的物理模型，运用计算流体动力学分析方法，研究了液体火箭发动机的不稳定燃烧现象，验证了该模型及分析方法的简捷和有效性。描述发动机燃烧室内气相流动过程的控制方程是非稳态准一维欧拉方程组，液相则用拉格朗日方法描述，方程组中的源项反映了气液两相耦合及液雾蒸发燃烧的影响。针对不稳定燃烧的机理，考察了压力脉动随着时间的推进对声学扰动的敏感性。计算格式采用两步积分的预测校正法进行选代求解。