用粘性／非粘性相互作用法求解机翼跨声速分离流

提供了一种计算机翼的跨声速绕流的粘性／非粘性相互作用的计算方法,包括无粘流场计算,混合边界层计算及两者之间的相互作用,其中三维混合边界的计算包括了层流边界层,转捩区,湍流边界层和分离流的积分方法计算了,特别是在靠近分离的区域采用边界层反方法计算,无粘流场由全速势方程计算得到,通过粘流无粘流耦合迭代求得了Ｍ６机翼跨声速绕流的收敛解,与实验结果比较,吻合得较好,本方法能够计算出激波诱导分离泡和后缘分离     

粘流与无粘流的相互作用计算

本文总结了粘流/无粘流的各种计算方法和结果。重点在于介绍定常流动中的弱相互作用。首先叙述了弱相互作用的数学模型。给出了不可压流动和跨音速流动中粘流/无粘流相互作用的某些正耦合的计算结果。讨论了在分离区附近边界层正方法失效的原因。然后介绍了边界层反方法和适用于带分离的流动中半反方法耦合的粘流/无粘流的相互作用方法。文中也简单地总结了三维情况的应用和强相互作用。     

平面跨音叶栅中粘流-无粘流的强相互干扰计算

为了设计高效率高负荷的跨音叶轮机械,气动计算中必须计入粘性的影响。当叶片表面流动不发生分离,或分离区很小时,流道内的流动可以分为叶片表面以及尾缘下游的粘性薄层——边界层和尾迹区以及除此以外的无粘流区。因而可以分别应用欧拉方程组及边界层方程组求解这两个区内的流动。无粘流-粘流的相互影响是通过无粘流计算及边界层计算的一系列迭代计算来实现的:由给定的气动参数及叶栅几何形状进行无粘计算,得到叶片及尾迹表面的流动参数分布,作为首次边界层及尾迹计算的输入数据,求得边界层及尾迹的排挤厚度δ_1,并以此对无粘流动的几何边界进行修正,作为下一次无粘计算的流场边界。这样的迭代重复进行,直到满足全场的总体收敛条件为止,其迭代框图如图所1示。     

三维跨声速粘性-无粘相互作用的半逆方法

本文为计算三维跨声速粘性-无粘相互作用提供一半逆方法版本。湍流边界层采用积分反方法。证明了对于跨声速流,选取外部流线角α和等价的不可压缩形参作为输入量,边界层积分方程总是双曲型的。无粘外流采用FL027程序。通过粘性-无粘迭代求得小分离区情况下的与实验符合的收敛解。     

跨声速翼型有粘／无粘强干扰计算

本文介绍一种二元跨声速激波-边界层强干扰的计算方法。边界层计算采用湍流边界层积分反方法,它借助Whitfield和Swafford提供的既适合附着流,也适合分离流的速度剖面表达式。跨声速无粘流用全速势方程模拟。通过边界上排溢速度来考虑粘性的影响,用有粘/无粘迭代得到粘性流解。本方法计算的结果与其它方法以及实验的结果进行了比较,证明该方法可以在工程上推广使用。     

任意翼型有小分离气泡跨音速绕流的迭代算法

 本文给出一种带小分离气泡的任意翼型粘性跨音速绕流的计算方法,采用有粘-无粘干扰迭代的概念。无粘流的全速势方程用AF差分格式在保角变换法生成的计算网格中求解,粘流附面层方程用C-S盒式法求解,用逆算法消除分离点处的奇性。本文对Ma_∞=0.8,Re_∞=2×10~6,迎角α=3.5°和4°的NACA64A010翼型粘性绕流进行了计算,结果与实验相比较,吻合良好。     

壁判据用于计算流体力学（CFD）可信度评估

本文把作者提出的近壁干扰剪切流动(ISF)全域理论与流体运动方程组及流体在壁面上无滑移条件相结合导出一组壁面判据.壁判据为计算流体力学(CFD)仿真的可信度评估提供了基于流体理论的一条直接验证途径.对不可压缩流动的十一个熟知的NS方程组精确解,包括二维驻点和斜入射再附点流,二维分离点和背风驻点流,轴对称驻点和背风驻点流,旋转圆盘附近的三维Von Karman 流、收缩和扩张渠道流和非定常斜入射三维驻点流;以及经典边界层及其无粘外流和相似性边界层及其粘外流的NS方程组解,提出可用于验证近壁流动计算的几个壁相关函数.证实它们准确满足所有壁判据;说明壁判据可用来检验NS方程组数值解近壁计算结果的计算精度并验证其可信度.     

Euler方程与边界层积分方程耦合求解跨音速翼型绕流

 应用Euler方程求解跨音速翼型特性时考虑了粘性影响,粘性影响是通过边界层动量和能量积分方程求解的,即粘流/无粘流迭代方法。其中Euler方程采用LU-ADI方法求解;边界层方程均由正解法过渡到反解法,以解决强激波干扰区出现小分离泡的计算问题。计算中使用了贴体C网格,通过一定变换使其保持基本正交。计算结果表明,压力分布、摩阻系数分布与实验结果符合较好。     

NND格式在航天飞机头部段N—S方程求解中的应用

本文采用实质上为二阶精度的无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)求解了非定常的二维和三维完全N-S方程,对类似于航天飞机头部外形的超声速粘性气体绕流流场进行了模拟。在计算中,使用了代数网格生成技术,对脱体激波采用了装配法。作为验证算例的二维圆柱绕流计算结果同文献[4]的数据进行了比较。二维凹陷外形绕流的计算结果同无粘流结果进行了对比,由于粘性流动出现了分离,二者的壁面压力是有差异的。最后,对三维外形的绕流也进行了模拟,计算结果提供了流场的细节。     

二维可压无粘流的自适应流量修正有限元解

从非定常Ｅｕｌｅｒ方程组出发,采用非结构三角形网格,研究二维无粘流动问题的自适应流量修正有限元解。将ＦＥＭ－ＦＣＴ与网格自适应相结合计算了ＮＡＣＡ００１２翼型的三个算例。计算结果与实验及其他计算结果比较,亚音速和超音速绕流符合很好;跨音速绕流情况存在一些差别。     

DCS5在计算气动声学中的应用研究

对流项采用五阶线性耗散紧致格式(DCS5)离散,粘性项采用6阶中心紧致格式离散,时间项采用5级5阶龙格-库塔时间推进格式求解流体动力学方程组,并由此建立近声场的直接模拟方法。为了应用结构网格在复杂几何形状条件下对流场进行计算,发展了高精度的多块特征对接边界技术。完成了低速无粘振荡圆柱和粘性圆柱绕流等标准计算声学算例,获得了令人满意的结果。     

跨声速翼型绕流计算边界层反方法的研究

本文用有限差分方法,通过有粘/无粘迭代计算了二元翼型的跨声速绕流问题。在边界层粘性区域内考虑了层流、转捩及湍流流动,当边界层内出现分离时,使用边界层反方法,采用代数湍流模型。算例表明,对激波/边界层弱干扰和强干扰情况,该方法的结果与风洞实验结果吻合良好,对于求解边界层小分离流场是一种好的近似方法。     

干扰剪切流动稳定性理论及其对高雷诺数流动数值模拟方法的改进

在干扰剪切流(Interacting Shear Flow,ISF)理论的基础上,提出ISF稳定性理论并把它用于改进高雷诺(Re)数流动计算方法。(1)高Re数内外绕流的RANS计算及工业标准PNS计算中,流动转捩的预测均基于经典边界层理论;然而转捩并非总是最早发生在边界层中,例如发生在壁面小突起、小凹坑、小窄缝等局部粘性/无粘强干扰区,这些强干扰区可能位于边界层内,但边界层理论并不适用于它们,又如转捩发生在分离点邻域强干扰区等。(2)ISF理论表明:高Re数内外绕流为一复杂ISF,转捩总是最早发生在该ISF的层流区中。(3)ISF稳定性理论表明:作者提出的干扰剪切扰动流(Interacting Shear Perturbed Flow,ISPF)方程组可以计算ISF层流中非湍流扰动运动演化并预测转捩;ISF方程组和ISPF方程组分别与PNS和抛物化稳定性方程(PSE)为同类方程组,PSE分析计算边界层稳定性的众多成功实践,说明用ISPF(即PSE)方程组计算ISF层流扰动流并预测转捩完全可行。(4)RANS和PNS方法经ISF稳定性理论改进后,在转捩前用ISF方程组(即PNS)计算ISF层流基本流,用ISPF方程组(即PSE)计算ISF层流扰动流并预测转捩位置;转捩后RANS方法计算RANS或RANS/LES,PNS方法计算干扰剪切湍流(ISTF)方程组即抛物化RANS(PRANS)方程组。改进后的两方法,理论合理正确,方程体系完备、自洽,ISF方程组只能用ISPF方程组相配对,因此是高Re数内外绕流计算的理想且可持续发展的两种方法。     

多级轴流压气机湍流和二次流径向掺混的简单统一模型及其应用

本文构造出一套新的统一表示湍流和二次流径向掺混作用的多级轴流压气机子午通流流场的模型方程组。除了掺混系数外,新的方程组没有其它的未知关联项,使得含径向掺混的多级轴流压气机子午通流的计算简单得多,相应计算机程序的计算时间只是无粘计算机时的约1.5倍。新方程组的数值结果与试验结果以及与则Gallimore掺混理论结果比较,表明新方程组的合理性和优越性。新方程组有严格的理论基础,不仅能用于亚音压气机,还可能用于跨音和超音压气机。      

修正曲率及雷诺正应力对分离流的影响

应用Ｓｔｒａｗｎ＆．Ｋｌｉｎｅ的准同时粘性／无粘流匹配模型，于动量积分布方程中加入了曲率和雷诺正应力两个二阶修正项，计算了二维不可压湍流附面层分离流地。文中首先分析推导了新的曲率修正公式，给出了两个算例，比较了修正项对计算结果的影响，并与实验做了对比。     

多级压气机非定常流动的数值模拟

进行了多级压气机动静叶片排干扰的三维非定常无粘流动数值模拟研究，采用高分辨率格式求解非定常Euler方程组。对某以级压气机的非定常无粘流场的计算结果表明，即使在不考虑粘性影响的情况下，压气机动静叶排干扰的非定常效应仍然是比较显著的，各叶片排所受到的非定常影响是不相同的，计算得到的叶片表面压力周期性波动的结果可为叶片强度计算提供较为准确的数据。     

跨音速粘流的计算

 概述了一种采用粘流/无粘流相互作用原理计算跨音速粘流的方法。采用熵修正激波算子计及跨越激波时的熵增,形成的非等熵位势方法可比传统的位势方法更准确地计算无粘流动。提出了一种流向速度型,结合其它辅助关系式导出了三维湍流边界层积分方程反方法。用此方法可求得粘流解。利用半反耦合方式耦合了无粘流和粘流解。数值算例表明,计算结果与实验结果吻合;且对计算机的要求较低。     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

强粘性层流理论及在粘性流计算中的应用

对高雷诺数流动计算，为了解决部分粘性项甚至全部惯性粘性项落入误差与流动物理尺度的关系问题，本文提出强粘性流动理论。强粘性流中至少有一个粘性项与惯性项同量阶，理论包含了物理尺度各向极限、经典边界层和多层边界层理论为其特例，给出了从经典边界层向物理尺度各向相同极限演化的尺度规律和粘性惯性诸项变化的量阶关系，阐明了粘性与惯性力强相互作用将在剪切层的法向以流向同时“激发”涉尺度结构。对粘性流计算，利用强粘性剪切流尺度律重新标度NS格式的修正微分方程，给出临界网格尺度与流动物理尺度和差分格式精度的关系，得到部分粘性项落入误差和计算结果为非物理数值粘性解的二个判据。并以流场中的边界层、驻点和分离点领域计算为例说明理论的应用，对强粘性剪切流计算、证实部分粘性项甚至全部粘性惯性项落入误差的问题值得重视。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。