基于自主软件LSWS的典型地形大气CFD模式研究与应用

基于我国典型地形风资源评估、风电场微观选址及风电预测等的发展要求，根据风场实测数据，提出了两种风廓线模型：一种是利用实测数据修正的Gryning风廓线模型，另一种是结合分段函数及理论公式拟合的风廓线模型。考虑大气热效应、地转效应等大气效应，结合改进的雷诺时均k-ε两方程湍流模型，建立了能够模拟不同大气稳定度的典型地形大气CFD模式，开发了自主可控的风场CFD模拟软件LSWS(large scale wind simulation)。以锡林浩特平坦草原地形和山西丘陵地形的风场为例，比较了自主软件LSWS和商业软件Fluent的模拟精度。模拟结果显示：对于锡林浩特平坦草原地形风场，两个软件模拟结果与实测数据总体吻合良好；在稳定大气状态下，LSWS的计算精度较Fluent最大提升6.33%；在模拟山西丘陵地形时，LSWS的计算精度明显高于Fluent，特别是绕山脊的山后流场模拟更加合理，LSWS计算精度较Fluent最多提升40%以上。     

考虑粗糙地表的近地层风场仿真模拟研究及误差分析

基于Fluent流体计算平台,使用自编UDF程序实现根据地表粗糙度长度添加覆盖植被阻力源项来模拟精细化地表粗糙度,以Askervein山为例建立数值模型,选择了不同的湍流模型进行风场模拟,研究了湍流模型对复杂地形风场CFD模拟的影响,并与实测数据对比分析了湍流模型的适用性,进一步探讨了均一地表粗糙度的模拟效果。研究表明:相比于其他几种湍流模型,LES模拟结果与实测值吻合最好,更适用于复杂地形的风场模拟。地表粗糙度长度对风场的影响在迎风面和背风面处有较大的差异性,合理设置单一地表粗糙度能有效减小模拟误差。     

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益.多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究.本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24?h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布.研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73?m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响.     

风能模型的发展及CFD在风资源开发利用中的应用

风能科学的发展一个很重要的方面就是从大气运动到风力发电机尺度流场的不同时空尺度运动的研究。随着计算能力的发展，计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）已经广泛应用于风能开发领域，使得风能模型从应用于较平坦地形的线性模型，发展到应用于复杂地形、耦合天气过程，考虑风力发电机排布、尾流效应的模型链。本文首先介绍了目前风能评估、微观选址、风功率预测模型的发展，之后详细介绍了在这些风能模型中CFD方法的改进，主要集中在中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模拟和复杂地形风场模拟3个方面，最后对风能模型发展过程中CFD所面临的挑战进行了展望。     

球壳型屋盖在冲击风作用下的抗风设计参数及CFD分析

雷暴冲击风具有和大气边界层显著不同的风场特性。为与抗风设计习惯一致,提出了与大气边界层风场类似的冲击风水平风荷载下静力风荷载表达式,并给出了相应的风压高度变化系数和体型系数的计算方法。以球壳型大跨屋面为具体研究对象,采用CFD数值模拟方法,研究其在冲击风作用下随结构参数和冲击风参数改变的冲击风体型系数变化规律,并将结果与大气边界层风洞实验中的结果进行比较。最后还给出了球壳屋面位于冲击风正下方时,屋面体型系数及风压高度变化系数的取值。     

计算风工程中 k-ε模型的边界条件研究

从 k-ε湍流模型控制方程入手，对两类满足平衡大气边界层理论要求的入口边界条件进行了详细分析，比较了二者的理论差异。然后以我国公路桥梁抗风规范中建议的 A 类风场为来流条件，定义了相应的 k-ε模型常数与壁面条件，使用两类边界条件进行数值模拟。计算结果表明：两类边界条件结合相应的模型常数与壁面条件，均能在数值模拟中构建基本满足规范要求的平衡大气边界层，但各有其适用范围。在此基础上，对模型常数 C 1和湍动能耗散率与数值模拟结果之间的关系进行了研究，采用修改模型常数与边界条件的方法，改善了数值模拟结果。     

雷暴冲击风荷载的大涡模拟

雷暴冲击风具有同常规的大气边界层风完全不同的风场特征.为研究雷暴冲击风场中建筑物的风荷载,采用大涡模拟(LES)方法对方形截面高层建筑进行了雷暴冲击风场数值模拟,获得了高层建筑在雷暴冲击风作用下的风荷载参数.同时,对雷暴冲击风场进行了数值模拟,所得结果与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.     

带自由表面水流的分离涡模拟

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构.深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型.天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用.RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展.然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少.本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

采用TRIP2.0软件计算DLR-F6构型的阻力

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP2.0)数值模拟了DLR-F6构型,主要目的是通过计算DLR-F6构型的安装阻力考察TRIP2.0软件的数值模拟精度,并为运输机构型的气动特性计算积累经验.本文数值模拟采用的多块对接网格,测压和测力的试验结果均来自AIAA CFD Drag Prediction Workshop II(DPWII),对比计算结果采用了CFL3D的结果.本文详细研究了网格密度、湍流模型对DLR-F6翼身组合体和翼/身/架/舱复杂组合体两种构型的的总体气动特性和压力分布的影响,计算结果与相应的试验结果取得了较好的一致.本文采用SST两方程模型计算两种构型均得到了网格收敛结果;不同的湍流模型对压差阻力影响较小,对摩擦阻力影响较大;不同的网格密度和湍流模型对压力分布影响较小.     

增程制导航弹绕流场数值模拟

研究某增程制导航弹绕流场的结构,为气动特性分析和外形改进提供依据。以三维N-S方程为主控方程,引入S-A一方程湍流模型,对某增程制导航弹的绕流场进行了数值模拟,给出了流场图像和气动特性计算结果,并将CFD计算结果与试验结果进行了比较分析。CFD计算结果与试验结果吻合良好,验证了所采用CFD方法的准确性和有效性,数值模拟结果已得到应用。     

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道（Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI）的一体化设计方法,对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析,针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致,设计状态下的计算结果表明,前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明,改型一体化前体进气道在马赫数5～7条件下顺利启动,流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。     

CFD/CSD-based flutter prediction method for experimental models in a transonic wind tunnel with porous wall

To predict the flutter dynamic pressure of a wind tunnel model before flutter test, an accurate Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics (CFD/CSD)-based flutter prediction method is proposed under the conditions of a 2.4 m × 2.4 m transonic wind tunnel with porous wall. From the CFD simulations of the flows through an inclined hole of this wind tunnel, the Nambu’s linear porous wall model between the flow rate and the differential pressure is extended to the porous wall with inclined holes, so that the porous wall can be conveniently modeled as a boundary condition. According to the flutter testing approach for the current wind tunnel, the steady CFD calculation is conducted to achieve the required inlet Mach number. A time-domain CFD/CSD method is then employed to evaluate the structural response of the experimental model, and the critical flutter point is obtained by increasing the dynamic pressure step by step at a fixed Mach number. The present method is applied to the flutter calculations for a vertical tail model and an aircraft model tested in the current transonic wind tunnel. For both models, the computed flutter characteristics agree well with the experimental results.     

紧邻高陡山体桥址区风特性数值模拟研究

以紧邻高陡山体的大跨度悬索桥为工程背景,应用CFD商业软件FLUENT对桥址区复杂地形地貌进行了区域地形风场数值模拟研究,通过多工况的对比分析,探讨了不同来流情况下高陡山体对主梁平均风速、风攻角以及风剖面的影响,讨论了桥址区的峡谷风效应.研究结果表明,随来流方向的不同,主梁平均风速、风攻角及风剖面形状在高陡山体附近变化的规律以及受高陡山体影响的范围不同,桥址处未形成明显的峡谷风效应.研究结论为该桥的进一步抗风设计提供依据.     

Discretized Miller approach to assess effects on boundary layer ingestion induced distortion

The performance of propulsion configurations with boundary layer ingestion (BLI) is affected to a large extent by the level of distortion in the inlet flow field. Through flow methods and parallel compressor have been used in the past to calculate the effects of this aerodynamic inte-gration issue on the fan performance;however high-fidelity through flow methods are computation-ally expensive, which limits their use at preliminary design stage. On the other hand, parallel compressor has been developed to assess only circumferential distortion. This paper introduces a discretized semi-empirical performance method, which uses empirical correlations for blade and performance calculations. This tool discretizes the inlet region in radial and circumferential direc-tions enabling the assessment of deterioration in fan performance caused by the combined effect of both distortion patterns. This paper initially studies the accuracy and suitability of the semi-empirical discretized method by comparing its predictions with CFD and experimental data for a baseline case working under distorted and undistorted conditions. Then a test case is examined, which corresponds to the propulsor fan of a distributed propulsion system with BLI. The results obtained from the validation study show a good agreement with the experimental and CFD results under design point conditions.     

吸气式导弹气动力预计方法研究

有攻角条件下在二元进气道壳体的尖锐棱角上会产生脱体涡,使壳体升力增长,导致进气道壳体的升力大于将壳体压扁后形成的小展弦比薄翼的升力。二元进气道阻力对全弹阻力有很大贡献,通气状态下则存在复杂的内外流干扰导致难于计算。本文基于风洞实验数据库和CFD数值计算解,发展了一种可计算带二元进气道吸气式导弹气动力的计算方法,获得了与实验数据吻合很好的计算结果,该方法可用于此类导弹的选型设计。     

风驱雨CFD模拟及平均雨荷载计算方法研究

基于谐波叠加法,用Kaimal谱生成空旷场地的脉动风速时程,将脉动风速时程作为流场CFD模拟的速度入口。采用分离涡模型模拟脉动风场并用离散相模拟雨滴颗粒,通过风雨耦合的CFD模型,获得雨滴落在输电塔各高度处的雨滴速度以及时间,并依据冲量定理和冲量等效原则,提出了任一时距的平均雨荷载计算方法。以176m高的输电塔为例,计算出作用在输电塔上以0.25s为时距的平均雨荷载。研究了水平风速和降雨强度对平均雨荷载的影响,结果显示:水平平均雨荷载随水平风速和降雨强度的增加而增加,但水平平均雨荷载与风荷载的比值沿高度增加而递减;尽管单粒雨滴荷载较大,但作用时间只有大约1×10-5s,依据冲量等效原则计算得出在一定时距内的平均雨荷载较小;对于本文算例,平均雨荷载与平均风荷载的比值不超过2.6%。     

民用飞机进气道低速大迎角性能风洞实验和数值计算分析

为了研究民用飞机进气道在起飞低速大迎角状态下的流场特征和性能,对设计马赫数为0.785的进气道进行了风洞实验和数值计算,来流马赫数为0.2,迎角变化范围为0°~25°,流量系数范围为0.29~2.07。研究结果表明：在起飞工况条件下,进气道正常工作迎角范围可达到25°;在起飞单发失效工况条件下,进气道外罩上流动分离迎角在13°~16°;在大迎角工作条件下内流未产生分离时,出口气流畸变受发动机流量变化影响较小。通过研究结果分析了进气道在低速大迎角状态下的流场特征及其随迎角、流量的变化规律。数值计算和风洞实验结果的对比表明,在没有流动分离时两者基本一致;但是对于外流分离迎角的预测,两者有3°差异,表明风洞实验依然是考核进气道性能的必要手段。     

直升机旋翼桨-涡干扰状态非定常气弹载荷高精度预估

为准确计算直升机旋翼在复杂的桨-涡干扰(BVI)状态下的气弹载荷,在刚性旋翼计算流体力学方法中引入桨叶弹性变形的影响,建立了一套适合于弹性旋翼BVI状态气动特性分析的计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合方法.CFD模块对Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS)/Euler方程进行求解,并采用双时间法推进和Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型.CSD模块采用中等变形梁假设的有限元模型,通过Newmark-Beta方法求解桨叶运动方程.通过代数变换方法进行桨叶网格变形,并建立一个适于流场/结构信息交换的CFD/CSD耦合方法.在分别验证CFD和CSD模块的有效性的基础上,开展UH-60A直升机旋翼的BVI 状态载荷分析,并与飞行测试数据进行了对比.计算结果表明:相比于旋翼综合分析中的升力线理论和刚性旋翼CFD方法,耦合的CFD/CSD方法可以更准确地预测BVI状态气弹载荷,并有效地模拟桨叶前行侧方位角和后行侧方位角附近的BVI现象,对BVI导致的升力波动幅值和相位的计算结果均与试验值吻合良好.      

扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法。扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流。笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响。模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明：使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性。与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%。壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大。     

飞翼布局无人机保形非对称S弯进气道设计及优化

基于国产动力约束及隐身设计要求,针对飞翼布局无人机双发动机布局进行了保形S弯进气道设计,为进一步提高进气道性能,开展了进气道优化设计研究.首先利用CFD（计算流体动力学）方法对保形进气道风洞模型进行验证,然后结合参数化建模和网格自动生成技术进行CFD数值模拟,最后利用RBF（radial basis function neural network）代理模型及多岛遗传算法开展进气道优化设计.结果表明:①优化后进气道性能有所改善,尤其表现在4°迎角之后性能明显提升,Ma=0.6下4°迎角时总压恢复系数提高了5.46%,畸变指数降低了38.7%;②优化后进气道截面积分布相比初始构型在前段更缓和而后段略微升高,中心线则在前1/3段与初始构型基本一致,之后曲率变化更加平缓;③保形进气道在出口截面具有较强的二次流,侧滑角对于此类进气道在小迎角下影响较小而大迎角时影响较大,设计时应关注大迎角时侧滑特性.