离散速度方法及其在跨流域问题中的应用研究进展

往返大气层跨流域飞行器的气动力和气动热计算一直是当前流体力学研究的难点和热点之一。由于该类飞行器面临的流动场景不再是单一的连续流或稀薄流,采用Navier-Stokes方程求解器或DSMC方法均不能获得全流域的准确结果。近年来,以不依赖于连续性假设的Boltzmann模型方程为基础,通过在位置空间和速度空间同时离散求解该方程,实现了跨流域问题的统一求解。本文对该类算法的研究进展进行回顾和分析,着重介绍气体动理论统一算法（Gas kinetic unified algorithm, GKUA）、统一气体动理学格式（Unified gas kinetic scheme, UGKS）和改进离散速度方法（Improved discrete velocity method, IDVM）3种数值途径,分析它们的基本假设和实现方式,关注它们目前取得的进展和应用情况。同时,本文还将IDVM进一步扩展到非定常情形,以便用于非定常跨流域问题求解。最后,本文对该类算法存在的一些问题进行讨论,期望在后续的研究中能予以解决。     

Stiffened状态方程下γ-model方法跟踪二维多介质流动

在Stiffened状态方程下，运用Level—set方程跟踪界面运动变化，把界面捕捉的等效方程、Level-set函数和欧拉方程组耦合，求解包含比热比和材料参数的耦合形式的流体力学方程组。计算方法采用二阶精度Wave-propagation算法，通过对气体-液体两种流体的一维Riemann问题、激波和气泡相互作用以及气液两种流体Richtmyer—Meshkov界面不稳定性问题进行数值模拟，抑制了不同介质界面两侧的非物理振荡。     

二维双曲型守恒律的一类MmB差分格式

基于通量分裂、单元平均分片线性重构及逆风特性进行空间离散,构造了二维标量非线性双曲型守恒律的一类新的二阶精度的半离散差分格式。进一步地利用二阶TVDRunge-Kutta离散方法对时间进行离散,得到了一类新的时空二阶精度的全离散差分格式,并证明了格式的MmB特性。之后,将格式按分量形式推广到二维非线性双曲型守恒方程组。该方法的一个主要优点是使用分量形式格式计算二维非线性双曲型守恒方程组,无须解黎曼问题且不用进行局部特征分解,因而形式简单、计算量小。通过计算二维可压缩流欧拉方程组的几个算例,数值结果表明,该格式具有高精度、高分辨率及计算简单的特点。     

二维复值Ginzburg-Landau方程的一个高阶紧致ADI差分格式

对二维复值金兹堡朗道(Ginzburg-Landau,GL)方程提出一个基于时间分裂的高阶紧致交替方向隐式有限差分格式。本文通过时间分裂法将GL方程分裂成一个非线性子问题及两个线性子问题,对非线性子问题以及其中一个线性子问题均通过精确积分进行计算,并对另一线性子问题构造紧致交替方向隐式差分格式进行数值计算。实际计算中,在每一时间步,利用追赶法求解一族常系数三对角线性代数方程组,从而使得算法既具有较高精度又拥有较快的计算速度。数值实验表明该算法在时间和空间方向分别具有二阶和四阶精度,并模拟了方程的一些动力学行为。     

一类基于非等距单元平均重构的高效差分格式

构造了一维非线性双曲型守恒律的一类基于非等距单元平均值的点值重构的高精度高分辨率守恒型差分格式。其构造思想是:首先,将计算区间划分为若干个互不重叠的小区间,再根据格式精度的要求利用Gauss-Lobatto点和Gauss-Chebyshev点划分小区间,通过各非等距细小区间上的单元平均值,重构各细小区间交界面上的点值,并加以校正;其次,利用近似Riemann解计算细小区间交界面上的数值通量,并结合高阶Runge-Kutta TVD时间离散方法,得到了高精度的全离散方法。证明了该格式的无振荡特性。然后,将格式推广到一维双曲型守恒方程组情形。最后,给出了几个标准数值算例,验证了格式的高效性。     

翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

基于结构网格点的Euler方程无网格自适应求解算法

提出了一种自适应无网格Euler方程求解算法。构造了基于无网格点云结构的布点加密技术,实现了借助压力梯度变化准则的流场局部加密;借助流场结构化剖分技术,给出初始无网格节点分布,并采用四步显式Runge—Kutta时间格式推进计算,求解了绕翼型的典型流动问题。数值算例表明,本文提出的方法能有效地提高流场的分辨率,如捕捉激波等流动特征清晰明了。     

一类基于非均匀剖分的二维高精度差分格式

利用dimension-by-dimension方法,将求解一维非线性双曲型守恒律的一类基于非等距单元平均值重构的高效差分格式推广到二维标量双曲型守恒律方程,得到求解二维双曲型守恒律的一类二维高精度差分格式.证明了该类格式的无振荡特性.然后,将格式推广到二维双曲型守恒方程组情形.最后,给出了几个标准数值算例,验证了格式具有高阶精度、高效捕获激波等间断的能力.     

基于体积分数形式的多介质流动数值模拟

把非守恒形式的体积分数方程与Euler方程组耦合，用交错中心型格式求解流体力学方程组。对一维情况下两种气体的相互作用和二维气泡的变形及塌陷问题进行了数值模拟，并把模拟结果与γ-model方法和NND（Non—oscillatory and non—free—parameter dissipation difference scheme，无振荡无自由参数耗散）格式的模拟结果进行比较，达到了抑制界面两侧非物理振荡和保持体积分数正性的目的。     

一种应用于水流的纹影特性光流测速算法

本论文基于光流优化算法，发展了一种适用于水流的纹影特性光流测速算法。在存在密度梯度的条件下，纹影图像的亮度反映了流场折射率的一阶导数，结合纹影亮度方程和流体连续性方程推导了适用于水的物理约束条件，采用二阶散度–旋度正则化作为空间平滑约束条件，基于两个约束条件构建了能量方程，通过变分法对能量方程进行最小化求解获得速度场。以热羽流为例，使用该算法对浮力羽流纹影图像进行了计算，并与互相关算法和传统光流算法的结果进行了比较。结果显示:本研究提出的算法能更好地体现流动特性，得到更高的空间分辨率。该方法基于纹影图像，无需在流场中添加示踪粒子，对流场无干扰，具有结构简单、使用方便等优点。     

实压管道内天然气体积流量的PIV测试

利用PIV测试技术对DN100天然气水平管道内0.8MPa下的实流流场进行测试研究,得到旋度场、速度矢量场等.以实测速度矢量场的空间平均值拟合出圆管横截面上的主流速度分布并积分求得管流截面上的瞬时积分流量.试验通过连续测量发现了流场的瞬时流量存在明显的脉动特征;而在较长周期内采集到的瞬时流量呈正态分布,其平均值与声速喷嘴流量一致,测量精度与超声流量计相当.测试结果显示:该PIV系统可以用于体积流量计量,而较长周期内的瞬时流量均值可以作为标准流量.     

复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲分析

为了建立复合材料加筋壁板承受压缩载荷下屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法,对复合材料加筋壁板进行了压缩稳定性试验和有限元分析研究。采用特征值分析法对加筋壁板进行了屈曲分析,得到加筋壁板的屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;根据加载端的载荷-位移曲线采用弧长法(Riks),得到了弧长法的屈曲载荷及后屈曲承载路径;引入失效准则,得到后屈曲直至破坏的承载能力。对比两种有限元分析法与试验结果可以得到:加筋壁板的后屈曲承载能力很大,特征值法分析屈曲载荷较弧长法更精确,而弧长法可以更好模拟后屈曲行为,建立的分析法与试验结果吻合较好。     

基于SolidEdge及ADAMS的牵引卷筒机构运动仿真

介绍一种新型液压牵引机卷筒机构的虚拟样机仿真方法。利用具有基于特征的建模和装配功能的CAD工具——So lidEdge建立了卷筒机构的几何模型,然后通过一种通用数据格式导入到M SC.ADAM S环境中。利用ADAM S软件进一步简化模型并建立虚拟样机。通过该联合建模方法,对牵引机卷筒机构进行动力学仿真,并对两卷筒输出的角速度和角加速度进行对比分析。与传统利用物理样机实验的方法相比,该方法更经济高效,便于产品的优化设计。     

并列双圆球数值模拟

为了研究不同间距下并列双圆球的相互作用以及对尾涡和湍动能的影响,本文选取在L=2.0~4.0D之间的五个间距进行了数值模拟,计算均在Rep≈1000的条件下进行。结果表明:在流向上,双圆球彼此相互抑制其背风面流体的流向输运;在垂直流向的周向上,并列双圆球彼此增强背风面流体的周向输运。当圆球间距L≥3.0D时出现二次涡。湍动能的增量与圆球间距近似成二次方规律。     

PIV技术在水垫塘实验模型淹没射流中的应用

利用PIV技术对模型单股淹没射流流场进行了测量，得到流场的流态及其它的特征参数：等流函数线、涡量、湍动能等，这些参数对水利工程中水垫塘的理论研究有重要的意义。测量结果可为数值模拟水垫塘流场釜供数据，为水垫塘的优化提供指导和依据。     

高精度混合型格式的构造及数值模拟

在守恒变量形式的无波动无自由参数耗散(NND)格式的基础上,引入样条插值的思想,并采用具有一致二阶精度格式的限制器函数,构造了一个在光滑区具有四阶精度,在激波附近降为二阶精度的混合型格式。在计算中采用具有总变差减少(TVD)性质的四阶R unge-K u tta方法进行时间离散,通过对多个典型算例的计算,并与NND格式作了比较,分析结果表明:混合四阶格式引起的耗散和波动较小,并且能够高精度地分辨间断。     

中尺度预报模式不同方案实验研究

以大雾天气为例,利用WRF中尺度数值预报模式对各物理参数进行调整,从而验证各物理方案对大雾形成和发展的作用,并将其与控制性实验进行比较。对水汽通量散度、雾区范围分析,结果表明：这三个敏感性实验都不能很好地反映实况,因此原控制性实验更适合做定量定性研究。     

薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中.改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据.应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修止热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段.     

应用PIV技术研究"零质量"射流的非定常流场特性

首次采用PIV瞬态流场测试技术对“零质量”射流激振器近出口处附近的非定常流场进行了定量测量，应用相位锁定采样技术，测到了激励周期内不同相位时射流出口的瞬态流场，由200幅瞬态流场图像的平均得到了射流流场的平均流动特性。通过对射流出口涡环的产生、发展及运动特性的分析，认识到涡环之间相互作用是形成“零质量”射流的流动机理。     

基于热流触觉传感器的物体表面热属性识别(英文)

基于人手热觉感知机理,设计了一种热流触觉传感器,该传感器由恒温元件和热流传感器构成。恒温元件保持热流敏感元件热端恒温,热流传感器检测传感器与被测物体表面间的热流温差,热流传感器采用玻尔贴器件。设计了两种不同方式的热流触觉传感方式。分析了采用热流触觉识别材料热属性的方法,具有温度差异的传感器与物体相接触,在传感器和物体间形成热流,不同材料物体热流不同,并对不同材料的物体进行了热流触觉仿真和试验。结果表明,所研制的热流触觉传感器能较好地识别不同热属性的物体。