基于自适应非结构嵌套网格的旋翼流场模拟

针对直升机旋翼CFD仿真的复杂性,提出了改进的适合于格心格式求解器的非结构嵌套网格算法。采用自适应网格技术在旋翼流场仿真的整个过程中进行网格的自适应加密和疏化操作,以更好地捕捉桨尖涡等流动细节。对于频繁的自适应过程中产生的大量重复点和无用点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)和标记-删除-移动算法(Mark,delete,move,MDM)进行删除,节约了不必要的存储。针对格心格式的求解器,采用了基于梯度的网格间插值方式,简化了网格间数值传递的复杂性,同时不降低求解器的精度。对CaradonnaTung旋翼悬停算例和HLISHAPE 7A旋翼悬停算例进行了模拟验证,计算值与实验值吻合,表明本文建立的方法具有良好的鲁棒性和有效性。最后,与未采用自适应时求解器对桨尖涡的捕捉效果进行了对比,结果表明本文所采用的方法可以明显地提高求解器对桨尖涡的捕捉。     

直升机实用涡环状态边界的确定

通过模型旋翼试验得到了合理的直升机涡环边界判据，并由此计算得到了直升机通用涡环状态边界。为验证该边界，进行了试飞验证工作，并得到了一些新的结论。综合试验研究、理论研究和试飞结果，提出了直升机下降飞行的“两线三区”的概念，便直升机涡环边界图更加合理，更为实用。     

处理动边界问题的无网格/直角网格混合算法

把无网格/直角网格混合算法发展用于涉及动边界的非定常流动计算问题.采用无网格/直角网格混合算法,计算区域整体采用直角网格,只在物面附近嵌入局部无网格.对于动边界问题,本文让主体直角网格保持固定,用原混合算法中的局部无网格区跟随运动边界,使得动边界物面附近有不变的点云结构,避免了点云重构;无网格区与直角网格交界面随边界运动跟踪确定,由于主体基于直角网格,方便了交界面的跟踪.用发展的混合算法,结合非定常Euler方程双时间推进方法,先对翼型作俯仰振荡的非定常跨声速流动进行了数值模拟,计算结果与现有文献和实验数据进行了比较与验证;结合刚体运动方程,成功模拟了二维外挂物投放过程,算例展示出发展的混合算法适合处理大位移运动边界问题.     

基于反馈定理的IB-LB方法(英文)

格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM)和浸入边界方法(Immersed boundary method,IBM)皆为近年来发展的可替代Navier-Stokes(N-S)方程求解复杂流体力学问题的数值模拟方法。本文采用浸入边界-格子波尔兹曼方法(IB-LBM),将IBM作为一种边界处理格式应用到LBM中,模拟了静止单圆柱及并排双圆柱绕流,与文献对比结果吻合良好,证明该方法具有模拟复杂边界物体绕流的能力。与采用虎克定理、直接力法计算体积力项的传统方法不同的是本方法运用反馈定理,即采用流场和流场内物体之间的速度、位移反馈来计算体积力项,使得该方法易于实施并具有优良的并行性。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究:薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

基于大涡模拟的NACA0012翼型流动分离研究

本文针对翼型流动分离问题，利用求解RANS方程和大涡模拟数值计算方法，通过常用的三种湍流模型的对比：k-epsilon、SST k-omega和BSL Reynolds Stress，最终选取SSTk-omega湍流模型对NACA0012翼型进行定常流动和非定常流动数值计算，得到翼型的升力系数特性曲线和翼型上下翼面的速度和压力云图。研究结果表明，大涡模拟能够捕捉流动分离区域中主要涡结构，在一个周期的不同时间步能够观测到分离涡从附着、发展、脱落到再附着的完整演化过程，对翼型流动控制的研究具有一定的参考，为飞行器的增升减阻设计提供了理论支持。     

三维疲劳裂纹扩展仿真的双重边界元法

运用双重边界元方法求解三维疲劳裂纹前沿的应力应变场,基于Forman理论、最小应变能密度法和Elber模型,采用增量步裂纹扩展分析方法,并根据裂纹几何形状的改变,对裂纹面进行网格重划分和迭代计算,模拟了三维裂纹的扩展和预测裂纹扩展寿命.获得了裂纹前沿各点的扩展长度、扩展方向和应力强度因子等特征量.扭力轴表面裂纹扩展的应用实例表明该方法正确合理.     

纵向涡对矩形通道内湍流流动特性影响的实验研究

本研究用风洞实验对矩形通道湍流边界层内嵌入的涡发生器参数进行了筛选；测量了单个涡发生器沿纵向对双侧壁面近壁边界层流场的干扰特性和通道嵌入涡偶的流动特性。找出了通道内嵌入涡发生器形成对近壁边界层流场干扰的较理想的涡发生器参数和漏偶的布局形式。     

垂直射流和横流干涉的三元粘性流场的数值计算

为研究射流-横流干涉所形成的涡在附面层控制中的应用,对垂直射流与横流相干涉的流动,用不可压全三元N-S解,配之以两方程紊流模型作了数值计算。所用方法是基于压力修正原理求解压力扬和使速度满足连续方程的SIMPLE方法。计算是在微机上进行的。得到了流场的速度分布、压力分布等详细数据。与实验结果相比,结果令人满意。所得结果有助于今后分析流场结构和成涡机理。     

基于比例边界有限元的结构强度分析方法研究

航天结构经历复杂严酷的载荷环境，且诸多大传载关键结构存在小尺寸倒角。为有效处理航天结构小尺寸倒角强度评估问题，提高结构应力应变求解精度和计算效率。本文基于比例边界有限元方法对典型小尺寸倒角的航天结构边界进行离散，构建强度计算模型，针对典型结构不同倒角尺寸开展强度分析，得到不同尺寸倒角对局部应力的影响规律，给出局部区域的应力分布，并与光测试验和常规有限元分析结果进行对比。结果表明，与常规有限元方法相比，比例边界有限元方法可以有效减少计算自由度，提高计算效率和计算精度，由于其半解析的特点，可以方便的得到内部域的应力场，为小尺寸倒角航天结构强度评估、寿命预测及优化设计提供有效的分析手段。     

针对旋翼流场模拟的自适应网格算法

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)予以删除;对于自适应疏化过程中产生的大量无用点,提出了标记-删除-移动(Mark,delete,move,MDM)算法予以快速地删除,减少了不必要的计算资源消耗。对CaradonnaTung旋翼在不同悬停状态下进行了模拟验证,对比了压力分布系数与桨尖涡位置。之后对HELISHAPE 7A旋翼在前飞情况下进行了模拟验证,计算值与实验值吻合。此外,求解器对桨尖涡的捕捉效果得到了明显的提高,表明本文方法具有良好的有效性与鲁棒性。     

喷口自由剪切层自激振荡优势频率的预测

研究了喷口边缘自由剪切层在下游扰流物干涉下产生自激振荡的机理 ,并进行了相应的实验。基于对空腔流自由剪切层自激振荡各阶模态的频率方程的合理改进 ,使之能预测喷口边缘自由剪切层在下游扰流物干涉下所致的自激振荡的模态频率。实验结果表明 ,采用改进后的空腔流自由剪切层自激振荡的频率方程能较好地预测喷口自由剪切层自激振荡所致噪声的优势频率 ,并能用于工程计算。另外 ,作者在考虑声与流动耦合的复杂性时提出 :声压与涡脱落相互作用的力阻抗所致的时延 2 πα中的 α与当地马赫数有关 ,而并非为常数 0 .2 5。声的传播是弹性介质中疏密波的传播 ,脱落涡的传播是流动介质中涡质量的传播 ,声与流动耦合的力阻抗的抗性取决于它们两者在耦合时所占有的主次地位 ,由实验数据表明 ,当 Ma∞ <0 .3 4时 ,力阻抗的抗性会由质量抗转变为弹性抗 ,即 α会由正值变为负值。     

模型燃烧室中两相化学反应流动的大涡模拟

对带V型火焰稳定器的模型燃烧室中气液两相化学反应流动进行大涡模拟(LES)，研究中采用了欧拉一拉格朗日方法。利用大涡模拟来研究气相流场，k方程亚网格尺度模型来模拟亚网格涡粘性。化学反应速率由亚网格EBU燃烧模型来确定，两步亚网格紊流燃烧模型被用来确定CO浓度，NO亚网格污染物生成模型被用来评估NO生成速率，辐射热量传递采用了热通量辐射模型。并在交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解，液相在拉格朗日坐标系下采用PSIC算法对其进行求解。通过大涡模拟，能得到气相和液相之间的质量、动量和能量交换。通过计算值和实验值的比较可知，出口温度和污染物成分浓度实验结果与计算结果吻合较好。因此采用大涡模拟方法来模拟两相化学反应流动和污染物生成过程是可行的。     

模型燃烧室湍流亚网格尺度模型

分别采用Smagorinsky-Lilly和k方程亚网格尺度模型,在任意曲线坐标系下对模型燃烧室湍流流场进行大涡模拟.分别用QUICK和二阶隐式差分格式离散控制方程及其时间项,并用SIMPLE算法进行求解.计算结果与PIV测量数据比较表明:大涡模拟方法能较好模拟旋流器后面回流区的瞬态变化,两种亚网格尺度模型都能较好模拟湍流流动,但k方程亚网格尺度模型稍优于Smagorinsky-Lilly亚网格尺度模型,因此采用k方程亚网格模型更适用于大涡模拟实际燃烧室复杂湍流流场.     

解带有内部边界泊松方程的共轭梯度法三角预处理器

为满足工程中对电磁问题算法器的需求，运用有限差分法,通过分析带内部边界二维泊松方程非均匀离散所得模型问题的矩阵结构,提出了用于解带内部边界泊松方程共轭梯度法的三角阵预处理器，同其他预处理器相比,使用该预处理器可较好地解决内存和计算速度的矛盾。本算法实例表明，采用本算法的算法器具有实用价值。     

高帧频数字相机在高速流动显示中的应用

根据高速流动显示实验研究对高帧频图像采集设备的需要,基于分幅式光路设计原理,结合快响应像增强器和低照度CCD相机,研制了一套兆赫兹采样的高帧频数字相机.利用高帧频数字相机,开展了高速流动显示实验研究:基于高帧频数字相机,结合纹影技术,在激波管上针对方块、凹槽模型,开展了高速流动显示实验,获取了运动激波与模型边界相互作用的序列图像,观察到湍流涡随时间演化发展的过程.结合一台输出功率为8W的连续激光光源和高帧频数字相机,建立了一套高速片光散射流动显示系统,获取了喷流的米氏散射序列图像.实验证明,基于高帧频数字相机的纹影及片光散射技术具备开展高速流动显示实验研究的能力.     

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义.利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析.结果表明:流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的.     

利用激光片光技术进行双三角翼剖面流动显示研究

进行双三角翼翼面流动显示研究的目的是为了揭示前、后翼脱体涡的干扰机理和详细结构 ,进而达到控制表面涡分离的目的 ,并为计算流体力学建立数学模型提供依据。介绍了采用激光片光技术在风洞中进行双三角翼剖面流动显示研究的方法和主要结果。研究表明 ,在较大攻角下 ,由于后翼涡的强度远远超过前翼涡的强度 ,后翼涡对前翼涡的诱导作用比前翼涡对后翼涡的诱导作用强 ,最终两涡将合并在一起 ,成为单一的旋涡。试验给出了很好的涡结构瞬态流动显示图片 ,两对涡的干扰合并明显可见 ,这对分析双三角翼涡的合并和破碎机理以及建立计算模型均有重要意义。     

大机动飞行时旋翼翼型的动态失速模型

基于Beddoes-Leishman(B-L)动态失速模型,对前缘涡的分离条件和位置进行了修正,并采用了量纲为一的时间参数对前缘涡的累积和涡的移动在时间尺度上做更合理的建模,建立了涡位置和涡增量的关系,另外,改进了气流的再附着条件.算例表明采用修正后的B-L动态失速模型,能够有效地改善低马赫数下垂直力系数和力矩系数突变的临界点和峰值,而且改进了一般修正模型对气流再附着段的判断,有助于提高直升机在大机动飞行时旋翼大交变载荷的计算准确性.     

最小二乘和奇异值分解法在边界元法中的应用

采用最小二乘与奇异值分解结合的方法，给出求解系数矩阵不满秩的线性代数方程组的数值方法，进而将此方法应用于边界无法中，处理给定外力的第一边值问题，特别地用于处理给定外力的三维裂纹问题。此外，本文还给出求解三维有限体裂纹问题的超奇异积分方程组，并使用有限部积分与边界元法为其建立了数值法。最后计算了若于典型例子的应力强度因子，数值结果与现有文献的相比，符合很好。