双重时间步方法在非定常流场模拟中的应用

在非定常流动的数值模拟中引入隐式双重时间步方法 ,并对2种经典的非定常流动现象进行计算 ,取得令人满意的结果,证明双重时间步方法具有较好的精度和较快的收敛速度。应用此方法对压气机动静叶非定常流场进行研究,结果表明高损失区集中在边界层附近及尾迹区;上游叶片排尾迹对下游叶片通道流动影响很大,它增加边界层损失,并在通道中与主流发生强烈掺混,最终使得出口流场及损失分布较为均匀。     

激波绕射方台的非定常流场研究

本文以数值方法研究了运动激波绕射矩形突台的非定常流场发展过程。计算中采用ＴＶＤ格式，得到了清晰的流场变化图谱。从流场图中可分辨出旋涡的形式过程及分离域形态。研究结果表明，本方法可以很好地描述激波绕射方台形成的复杂流动过程，对流场间断有较高的捕获力。     

时间矢量推进方法及其在叶轮机非定常流分析中的应用

为提高周期性非定常流动的求解效率,将非定常计算的初值问题转换为边值问题,提出了时间矢量推进方法,并将该方法应用于叶轮机多排的非定常流动分析中。通过对两排对转风扇进行非定常仿真,并对比双时间步计算方法的计算结果,讨论了新方法的计算效率,研究了该方法对排间干扰捕捉的准确性和可靠性。得到了以下结论:在物理时间步长相等的情况下,新方法与双时间步方法的计算结果基本一致,且计算时间约为双时间步方法的1/8;时间矢量推进方法能够很好捕捉排间的势扰动、熵扰动和涡扰动以及主流和扰动之间的非线性作用;时刻样本数较少会使时间矢量推进方法捕捉到的非定常变化幅值变小,且无法解析时间尺度较小的非定常流动现象。     

谐波平衡法在非定常流场中的应用

现有的弹箭动稳定性导数计算通常忽略了耦合运动效应的影响,而弹箭在实际飞行中,通常同时存在俯仰、滚转以及锥进运动。为此,本文提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而模拟弹箭俯仰滚转锥进相耦合的三自由度耦合角运动,在此基础上,通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明：本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;在耦合角运动状态下,弹箭气动力系数迟滞环发生明显的振荡和偏移,俯仰组合动导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化,且变化规律具有非线性特性。     

一种快速模拟振荡叶栅非定常流的数值方法

为了提高叶轮机内周期性非定常流数值计算效率,发展了一种计算振荡叶栅非线性非定常流的谐波平衡方法,将周期性非定常流动参数采用傅里叶级数表示,从而将传统的定常流动数值计算方法应用于非定常流问题求解中,大大提高了非定常流计算效率。计算结果表明,发展的谐波平衡方法与线性方法、非线性时域法计算结果吻合较好,且其计算效率比时域法高1个数量级。另外,系统研究了谐波阶次对计算效率与计算精度的影响,认为在气流未出现严重分离时,应采用低阶谐波平衡方法,以减少计算耗时。此外,从压气机振荡叶栅非定常流场计算结果可以看出,叶片吸力面诱导涡的生成频率与振荡频率并不一致,涡生成频率要高于振荡频率。     

多级低压涡轮内部非定常流场扰动分析

采用三维数值模拟方法,对带有过渡段和后机匣支板的低压涡轮进行全环非定常数值模拟,分析了各个叶片排流场中存在的非定常扰动及扰动源,研究了低压涡轮第二级中存在的多种扰动源叠加现象,并对流场中的静压波动进行了频谱分析。结果显示,过渡段的二次流对低压涡轮内部流场存在明显扰动,并向下游传播至涡轮出口。第二级动叶中,上游导叶通过频率与过渡段二次流自身脉动频率产生叠加,形成的新扰动频率为两者产生的差频。采用全环非定常数值模拟预测多级低压涡轮内部流动中存在的各种扰动频率及其相互叠加很有必要。     

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Euler方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场.为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法.空间采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向采用双时间法隐式推进求解.为了验证方法的正确性,数值模拟了悬停流场,数值结果和实验值吻合很好.尽管前飞状态的计算没有实验验证,但计算结果与其它文献计算结果吻合很好.     

用于多级压气机非定常流动的谐波平衡方法研究

为了在保证计算精度的同时,进一步提高压气机流动非定常模拟的计算效率,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了谐波平衡法。以1-1/2级轴流压气机为研究对象,采用谐波平衡法和相滞后法对其非定常流场进行了数值模拟,并采用谐波平衡法对该压气机的时序效应进行了初步研究。计算表明,随着谐波阶数的增加,谐波平衡法的计算结果逐渐接近于相滞后法的计算结果;在谐波阶数达到5阶以后,谐波平衡法的计算结果不再随谐波阶数的增加而变化,且与相滞后法的计算结果匹配;谐波平衡法在保证与相滞后法相同的计算精度的情况下,计算效率相比相滞后法高了近3倍;5阶谐波平衡法即可很好地模拟入口导叶-静叶时序效应。算例表明,谐波平衡法相比相滞后法具有更多的选择空间和更高的计算效率。     

带有横喷控制的导弹非定常流场数值模拟

从包含多种组分的N-S方程出发,采用NND2M差分格式,对带有脉冲发动机作为横向喷流控制系统、X型尾翼布局、飞行马赫数M∞=6.0、攻角α∈[-10°,10°]的导弹外流场进行数值模拟,研究了发动机非定常工作过程对导弹气动力动态特性的影响;计算表明喷口位于背风区时喷流影响较小,喷口位于迎风面时气动力变化较大,压心明显前移.     

NASA67级非定常流场的频域分析

通过对NASA67级典型截面非定常流场的快速傅立叶分解, 在频域内对转静干扰效应、交界面典型脉动量的周向波形以及周期边条的相位延迟角进行了分析.同时可以看到一些在时域中很难直观看到的现象.最后通过对比采用前5阶谐波合成出来的确定应力和非定常计算合成出来的确定应力, 分析了非线性谐波法在确定应力建模方面的可行性及优势.      

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。     

基于TFI的局部网格变形方法研究

本文发展了一套基于TFI（Transfinite Interpolation,超限插值法）技术的局部网格变形方法,该方法不同于以往的整体网格变形思路,将网格变形控制在有限的区域内,在保证网格质量的同时,不影响其他区域的网格,因此能够较好地配合其他动网格方法解决复杂流动问题。以带后缘襟翼的NACA0012翼型为例,对翼型俯仰振荡耦合襟翼偏转运动的动态流场进行了数值模拟,计算结果与实验值吻合良好,证明了本文发展的局部网格变形方法的可行性。     

双三角翼俯仰振荡运动的流场特性数值模拟

 建立了适用于双三角翼大迎角非定常分离流场模拟的数值方法,研究双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出动态流场结构和气动力性能随迎角的变化规律,重点考察了减缩频率、转轴位置、平均迎角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响。研究结果表明:俯仰振荡到相同大迎角时上仰和下俯的流场存在明显差异;减缩频率对气动力迟滞效应的影响相对大于转轴位置;平均迎角的变化导致双三角翼背风区流场结构呈现不同流态,而振幅的大小决定这些流态的数目,事实上俯仰运动时如果跨越的流态数目越多则流场结构的动态响应滞后现象就越显著。通过数值分析,有利于提高对双三角翼在俯仰振荡运动条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。     

基于时间谱方法的振荡翼型非定常粘性绕流数值模拟

用时间谱方法求解周期性非定常Navier-Stokes方程,对绕振荡翼型非定常粘性流动进行了数值模拟研究。方程中对流项离散采用Roe's FDS格式,时间项采用基于时间谱方法的傅里叶表达式离散,并引入伪时间项。为提高计算效率,时间推进采用隐式BLU-SGS方法。对绕振荡NACA0012翼型的亚声速和跨声速非定常粘性绕流进行数值模拟,计算结果与实验值吻合很好。     

三角翼非定常旋涡运动横截面拓扑结构研究

本文用数值方法求解N-S方程,研究了低速流中三角翼背风面涡破裂演化过程中前缘涡的横截面拓扑结构.从横截面流线发现,从翼尖到近尾迹,前缘分离涡经历了由稳定到不稳定,再由不稳定变为稳定,在尾迹上又再次变为不稳定等三次转换过程,并由三个极限环的产生实现这些转换.对比沿涡轴的轴向速度分布表明,这些截面拓扑结构的变化规律以及极限环的产生与定性分析理论是相符的.当极限环扩散到前缘涡以外的区域时,极限环会溶入外流而消失,所以能否出现多个极限环同时存在的情况,取决于极限环的扩散速度.在涡破裂的产生与演化过程中,前缘涡的横     

双时间法求解大迎角翼型绕流非定常N-S方程

本文采用双时间推进法、顶点格式有限体积法求解非定常NS方程,应用多层网格技术计算了NACA0012翼型大迎角振荡绕流,并对伪时间推进收敛精度、物理时间步长、多层网格迭代方式等对计算结果与计算CPU时间的影响进行了讨论,另外还讨论了采用Baldwin-Lomax湍流模型时用固定转捩或全湍流模式对计算结果的影响,并与实验结果进行了比较.     

飞行器大迎角下俯仰静、动导数的数值计算

 采用一种适用于非定常流动计算的逐次超松弛（SOR）时间推进方法耦合求解非定常Navier-Stokes方程和强迫运动方程,数值模拟了NACA0012翼型、弹道外形(HBS)和有翼导弹等飞行器在不同初始迎角下做强迫俯仰振荡的黏性动态流场,给出动态气动力及力矩系数的时间历程;采用积分法获得飞行器的静导数和动导数,将计算结果与实验结果及半经验理论预测方法进行比较并分析飞行器在大迎角下动态特性的非线性特征;计算结果与实验值相吻合,表明本文采用的非定常数值模拟方法在大迎角下能够较准确地模拟飞行器的动态特性,具有工程应用价值。     

TIME ACCURATE 2D NAVIER-STOKES CALCULATIONS WITH A DUAL-TIME STEPPING METHOD

ＴＩＭＥＡＣＣＵＲＡＴＥ２ＤＮＡＶＩＥＲＳＴＯＫＥＳＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮＳＷＩＴＨＡＤＵＡＬＴＩＭＥＳＴＥＰＰＩＮＧＭＥＴＨＯＤＹａｎｇＹｏｎｇ,ＱｉａｏＺｈｉｄｅ（Ｆａｃｕｌｔｙ５０３,ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉ...     

返回舱自由振动跨声速非定常流场数值模拟

本文利用NND差分格式对返回舱俯仰运动和跨声速绕流流场进行了耦合求解,结果表明:来流M∞=0.8条件下,返回舱俯仰运动出现等幅振动现象,基本等幅振动时的周期约为2.8秒,振幅约为6.0°,与飞行试验的振动周期和地面试验的振幅基本符合.