面向降落伞稳态CFD计算的网格生成方法研究

降落伞稳态流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算的网格生成是一个带边界层的三维复杂域网格生成问题,目前用于边界层计算的混合网格生成方法,往往存在计算繁琐、应用范围窄、自动化差、以及难以适应复杂外形的缺点。文章提出了一种结合约束德洛内(Delaunay)网格生成和网格前沿推进技术的降落伞稳态CFD计算的流场网格生成方法,实现了降落伞网格和包括边界层区域在内的流场网格一体化、全自动、高品质的生成。该方法采用网格前沿推进法来生成边界层区域的网格节点;算法整体上采用三维约束Delaunay网格生成技术,边界层层节点集合在网格生成过程中作为约束Delaunay三角化的约束条件,避免了复杂的网格求交计算和拓扑处理。网格生成实例表明,该方法能全自动生成降落伞稳态CFD网格,生成的网格品质、网格规模等满足降落伞稳态CFD计算的需求,同时该方法具有一定的通用性。     

一种在时域内计算三维翼颤振的方法

使用模态法构造结构模型,研究了在时域内耦合结构模型和气动模型预测三维翼颤振的方法;求解N-S方程计算非定常气动力.Newmark算法简化颤振方程.采用无限平面插值方法耦合结构网格和气动网格;使用弹性系数算法和局部网格重构法重构非结构气动网格,以确保结构方程和气动方程进行耦合求解.AGARD 445.6翼算例检验了计算方法的可行性.     

雾化过程的一种Euler-Lagrangian耦合算法（英文）

对雾化过程的直接数值模拟需要巨大的计算资源和时间,而工程中的简化模型则经常会给出错误的结果。因此,可以折中地采用一种混合方法,即在不同尺度上采用不同的模型。提出了一种雾化过程的欧拉——拉格朗日耦合算法。较大的液团采用VOF法直接求解,与网格尺度相当或更小的液滴则采用双向耦合的拉格朗日粒子法进行追踪。而该方法要求粒子的体积小于网格体积的10%,为此又提出了一种虚网格粒子追踪法。由于湍流结构对雾化过程的影响很大,故湍流采用了大涡模拟模型。采用多个算例对开发的算法进行了验证,并对部分关键参数的影响进行了深入研究。采用新算法对两股撞击射流的雾化过程进行了研究,瞬态和统计结果均表明新算法能够给出良好的预测。     

雾化过程的一种Euler-Lagrangian 耦合算法

对雾化过程的直接数值模拟需要巨大的计算资源和时间,而工程中的简化模型则经常会给出错误的结果.因此,可以折中地采用一种混合方法,即在不同尺度上采用不同的模型.提出了一种雾化过程的欧拉——拉格朗日耦合算法.较大的液团采用VOF法直接求解,与网格尺度相当或更小的液滴则采用双向耦合的拉格朗日粒子法进行追踪.而该方法要求粒子的体积小于网格体积的10％,为此又提出了一种虚网格粒子追踪法.由于湍流结构对雾化过程的影响很大,故湍流采用了大涡模拟模型.采用多个算例对开发的算法进行了验证,并对部分关键参数的影响进行了深入研究.采用新算法对两股撞击射流的雾化过程进行了研究,瞬态和统计结果均表明新算法能够给出良好的预测.     

纤维缠绕壳体设计的网格分析方法

讨论了用于纤维缠绕薄壁结构设计的网格理论的意义。基于网格理论，得到了固体火箭发动机纤维缠绕壳体圆筒壁厚和爆破压强的计算方法，给出了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的方法。算例表明，计算值与实测结果符合良好。     

用于预估轴对称跨音速流动及线性三维流动的牛顿方法

本文所介绍的是一种用于轴对称跨音速粘性流动的分析和设计方法,它是用基于牛顿方法的流面建立起来的。这种方法通过对轴对称解的线性扰动,具有对线性三维流场的预估能力。把欧拉方程与二维封闭过渡模型下的轴对称积分边界层方程耦合在了一起。基于有限容积公式上的流面具有高效、实用的设计特点。使用作用盘模拟动力舱中的涡扇,为提供合适的初始网格发展了使用配点法的流面网格生成方案。对动力舱的分析解与风洞实验的结果进行了比较,表明二者吻合得很好。数值计算表明这种方法收敛得很快,典型的迭代次数在10次以内。     

球形贮箱中三维液体大幅晃动数值模拟

提出一种新颖有效的网格移动算法,使用任意拉格朗日-欧拉（ALE）有限元方法对球形贮箱中三维液体大幅晃动问题进行数值模拟。对接触线网格及自由液面网格指定其运动轨道,对湿壁面网格采用代数更新算法,对域内网格采用Laplace方程对网格速度进行平滑。同时采用基于特征线的时间分裂（CBS）格式来处理对流效应引起的数值振荡。数值计算结果与已有试验数据进行了对比,两者吻合良好,证明了网格移动算法与计算格式的可行性与准确性。     

双欧法在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中的应用

文章针对伞弹系统欧拉方程奇异性，利用正、反欧拉方程精华区、奇异区呈倒挂的原理，建立了一套与飞机不同的反欧拉系统。将这套双欧系统应用在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中，取得了满意的结果。同时对双欧法与四元数法计算结果进行了对比验证，从而更加清楚地看到了四元数法的方法缺陷和不足，为进一步能将双欧法应用于伞-弹系统六自由度弹道实时仿真进行了有益的尝试。     

贴体曲线坐标系的数值生成方法

本文给出了二维场曲线坐标系的数值生成方法,该曲线坐标中的某些坐标线能与场中所有物理边界相贴合(本文称为“贴体曲线坐标系”)。不论物理边界的形状如何,利用本方法都可以使物理边界通过有限差分网格点,并在计算平面中的矩形正交网格上求解偏微分方程,而不需要在网格点之间采用内插方法。本方法已经用FORTRAN算法语言编成计算程序,并应用于简单的二维收敛-扩张喷管(单连域)和环形喷管(多连域)。这些算例表明,该FORTRAN计算程序是可行的。     

推力室三维适体网格生成

运用“抛物”化了的椭圆型方程,从推力室内壁开始迭代计算,逐层向中心推进,通过对推进方向和边界条件的约束,实现了由边界上的网格分布和推进方向直接控制内邵网格,大大缩短了网格生成所需计算机时,使生成的网格具有良好的正交性和合理性。     

基于AutoCAD几何建模的近场目标电磁散射计算技术

为了计算复杂目标的雷达散射截面（RCS），提出了一种基于AutoCAD几何建模的近场目标电磁散射计算技术，计算了单元体，组成体以及飞机的近场雷达散射截面，理论计算和实测结果较为吻合，为在微机上计算复杂目标近场RCS提供了一种理想的方法。     

高超声速乘波飞行器气动实验研究

以绕楔高超声速流场为基础，用流线追踪法生成了一种高超声速飞行器气动概念构形、初步探索了高超声速飞行器机身/推进系统一体化气动构形设计方法，开展了高超声速测压实验，结果表明：该类构形飞行器在高超声速飞行时，可以产生较高的升阻比，前体的预压缩效果明显，是以吸气式冲压发动机动力的有效途的飞行器构形。     

过渡区侧向喷流干扰的并行DSMC数值模拟研究

在高空低密度环境,空间飞行器的控制面效率下降较快,反作用控制系统(RCS)作为改变飞行姿态或轨道的直接力系得到大量应用,为了精确预测高空RCS喷流与稀薄大气的干扰效应,本文建立了直角与表面非结构网格混合结构的DSMC数值算法以及网格自适应算法,保证了碰撞分子是在自适应后的亚网格内选取,提高了计算精度.采用静态随机负载平衡技术构建了并行DSMC代码,计算分析了不同压比条件下的三维平板模型侧向喷流与稀薄大气的干扰流场.计算的复杂流场结构和表面流动特征、分离长度与低密度风洞试验有较好的一致性.在保持来流参数不变的情况下,喷流干扰区的分离长度及喷流透射高度随着喷流压比的增大而增大.随着来流稀薄度的增加,来流对喷流的影响越来越弱,而喷流自身的影响区域却越来越大.     

统一分区加强解算法解物体穿越激波非定常流场

使用统一分区加强解算法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了物体分别以超音速和亚声速穿越与之同向运动激波的全过程，并且通过和单区计算结果的详细对比，说明统一分区加强解算法能够简便、有效的处理复杂几何外形和提高网格分辨率。     

增强高超声速化学反应流数值计算的稳定性方法

针对高超声速化学反应流数值模拟中包含源项对角化雅可比矩阵的数值格式稳定性很差的问题,在对采用上下对称的高斯-赛德尔(LU-SGS)格式的离散方程进行线性稳定性分析的基础上,提出一种依据流动状态对流场的块网格进行局部加密的方法,以增强流场数值计算稳定性。在高超声速流场中,对包含激波后亚声速高温区域的块网格给予加密,而其他区域中的块网格可以适当进行网格粗化或保持不变。算例结果表明,相比于初始网格,局部加密后的改进网格并不会产生过多的网格量,而且能够采用较大的柯朗-弗里德里奇-列维（CFL）数以达到数值求解过程中稳定计算和快速收敛的目的。     

基于OPTIMUS的临近空间飞行器再入轨迹优化设计

针对临近空间飞行器再入飞行受到热流率、动压和过载等多约束情况下的轨迹优化问题,提出了基于OPTIMUS优化软件平台搜索初值的编程求解方案。首先根据再入飞行动力学原理建立数学模型,并合理简化,应用最优控制理论设计滚转角控制律;然后利用OPTIMUS软件平台搭建系统工作流程,进行试验设计并建立响应面模型,通过平台集成的优化算法寻找初值;最后结合不同优化算法的优点,基于遗传算法加模式搜索法编写程序求解轨迹。结果表明,基于OPTIMUS分析所设计的轨迹优化方案,可以快速确定较为准确的初值,计算效率显著提高,且能够保证较高精度。     

离心式喷嘴全流场数值模拟

将离心式喷嘴流场数值模拟由内流场扩展至外流场,将喷嘴出口的一段区域纳入计算域,探索用数值模拟方法研究全流场的流动特性并在此基础上对雾化特性进行分析。计算结果给出全流场的液膜形状以及气涡与液膜共存的流场结构,直接给出雾化锥角。采用VOF方法捕捉气液界面,湍流模型选择RNG双方程模型,对容积分数方程选择积分平均型TVD格式...     

Accomplishment of multi-utility spacecraft charging analysis tool (MUSCAT) and its future evolution

(MUSCAT) is a high value computation tool for analyzing spacecraft–plasma interaction, whose typical example is charging–arcing issue, corresponding to spacecrafts in LEO, GEO and PEO. JAXA and Kyushu Institute of Technology (KIT) started the development as a joint project in November 2004 and the final version of MUSCAT was released in March 2007. The final version includes many important features to simulate spacecraft–plasma interaction and the features can be separated into four parts. The first part is its GUI named “Vineyard”. By using Vineyard, MUSCAT users can build a satellite model including not only its geometry but also material properties of the surface. As for the second part, MUSCAT includes many kinds of effects derived from space plasma environment as well as electrical functions of spacecraft. For the third part, MUSCAT can work on parallel workstation with multi-CPU. The last feature is that the computation result by MUSCAT was thoroughly validated by experiments in plasma chamber. The numerical result shows very good agreement with the code validation experiment. We also conducted trial computation of charging analysis on Greenhouse gases Observing Satellite (GOSAT) with MUSCAT. One purpose of the computation was prediction of charging status of GOSAT for the real satellite design in combination with the ground test. The other is performance assessment of MUSCAT. After the joint project, expansion and maintenance of MUSCAT will be carried out by “MUSCAT Space Engineering Ltd” which is a new enterprise made of the development team. In future we will try to conduct MUSCAT computation for various spacecrafts and also try to add useful function such as 3D CAD compatibility.     

二维非结构网格Euler方程的LU-SGS算法

研究了将二维非结构三角形网格重新排序后，用LU-SGS隐式算法计算Euler方程的方法。分析了网格不平衡情况下该方法的可行性和应用效果。计算了不同翼型在不同流动条件下的二维Euler方程，并与四步Runge-Kutta显式方法进行了比较，结果验证了此方法具有良好的计算和收敛效果，以及在粘性计算方面的潜力。运用此方法对某预研型号的头部外形进行了设计和选择。该方法克服了以往隐式方法大量耗费内存的弱点，达到了计算耗时短和占用内存少的统一。     

航天器表面环境散射返回流污染数值模拟和影响因素分析

针对航天器表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题,利用试验粒子Monte Carlo方法对圆球和圆柱体简化航天器表面环境散射返回流进行数值模拟。其中,圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法计算结果一致,验证了该方法的正确性。此外,对不同长径比的圆柱表面环境散射进行了计算和分析,结果表明:来流方向垂直于圆柱对称轴时,返回分子主要分布在圆柱体侧面的迎风部位;返回通量比随来流与出气分子质量之比的增加逐渐减小,随来流与出气表面温度之比、来流分子速度比和数密度的增加而增大;不同长径比条件下返回通量比相对于上述4个参数的变化具有相似性和递变性,短粗体的返回通量比最小,长细体的最大,正常圆柱体的则居中;返回通量比相对来流攻角的变化在不同长径比条件下不再具有相似性,而是取决于有效迎风面积。