高速粘性绕流的有限体积TVD格式

本文通过求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程,解决二维超声速及高速声速流动问题。通过采用坐标交换技术,可以方便地将有限体积ＴＶＤ格式应用到各种形状的流动问题中,各种典型算例的计算表明该方法数值计算稳定,捕捉激波分辩率高,能很好地模拟超声速和高速超声流动中激波反射及激波与边界层的干扰等各种复杂流动现象。湍流计算中采用ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ湍流。数值结果与实验结果及理论解的对比令人满意。     

斜激波与弓形激波相互作用的彩虹纹影实验研究

斜激波与弓形激波相互作用形成的波系结构可以分为六类,其中IV型激波干扰产生了超声速"喷流",产生了极高的热载和压载。基于彩虹纹影显示技术,实验获得了六类激波干扰彩虹纹影照片,分析了各类激波干扰的波系结构。通过数值计算,获得了有无斜激波干扰的条件下,壁面附近温度与压强的分布,讨论了IV型激波干扰产生极高热载和压载的原因。研究表明,激波干扰发生以后,钝头体表明压载与热载急剧增加,尤其是IV型激波干扰,形成的超声速"喷流"射向钝头体壁面的超声速射流,会导致峰值压力剧烈升高,其数量相当于来流静压的近40倍,驻点附近的热流升高将近8倍。     

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

欠膨胀火箭多股喷流干扰流场的数值模拟

本文利用高精度的TVD有限体积差分格式,对欠膨胀火箭多股自由喷流的干扰流场进行了数值研究,给出了两股自由射流的干扰流场的复杂激波系结构,包括内、外层反射激波、相交激波等波系结构。数值结果与实验结果较为吻合。     

隔板截面造型对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,在设计工况下对3种隔板截面形状的超声速膨胀器的三维流道流场进行了数值研究.结果表明:矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,等熵绝热效率较高;正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优;角区附面层分离、回流形成的低速气流团以及斜激波所导致高速气流的增压过程是出口流动损失的主要来源;优化隔板沿径向的结构,超声速膨胀器的综合性能有望进一步提高.      

SST湍流模型的激波与可压缩效应改进

由于缺乏对某些重要流动特征的考虑,针对不可压流发展的标准SST湍流模型在描述超声速流场时存在明显的局限性。为改善SST模型在吸气式高超声速推进系统内流等复杂超声速流场中的预测精度,基于流动特征结构定向开展了激波和可压缩效应改进。通过激波/湍流边界层判别函数和可压缩效应判别函数定位标准SST模型参数或建模假设失效的区域,针对性地改进湍流模型。采用超声速平板边界层流动、超声速压缩拐角分离流动、超声速隔离段复杂激波串流动以及HIFiRE-2超声速内流等算例进行了测试,结果表明改进模型具有与标准SST模型一致的边界层预测能力,但显著提高了对激波干扰流动及逆压分离流的预测精度。     

间隙高度对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,对不同间隙高度超声速膨胀器的流场和性能进行了数值研究,结果表明:间隙高度显著影响三维流道内的局部流动特性和超声速膨胀器的整体性能,随间隙高度增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小;泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,但激波及激波附面层相互作用的损失降低;超声速膨胀器的膨胀比先增大后减小,等熵绝热效率持续降低.下端壁、吸力面附近低能流体之间以及与壁面的摩擦损失和间隙泄漏损失是有间隙超声速膨胀器三维流道内损失的主要来源,超声速膨胀器的间隙高度宜在0.9%h₀~1.5%h₀之间选取.      

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

含激波、旋涡和声波的复杂多尺度流动数值模拟研究

近年来针对激波噪声计算,我们开展了较为系统性的数值方法研究,解决了计算激波噪声的一些方法上存在的问题。通过对典型问题的直接数值模拟,包括旋涡之间相互作用、激波与旋涡相互作用、激波与剪切层相互作用等模型问题和超声速喷流激波噪声问题,揭示了一系列激波噪声产生机理。本文对这些研究进行简要回顾。     

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

Simulation of underexpanded supersonic jet flows with chemical reactions

To achieve a detailed understanding of underexpanded supersonic jet structures influenced by afterburning and other flow conditions, the underexpanded turbulent supersonic jet with and without combustions are investigated by computational fluid dynamics(CFD) method.A program based on a total variation diminishing(TVD) methodology capable of predicting complex shocks is created to solve the axisymmetric expanded Navier–Stokes equations containing transport equations of species. The finite-rate ratio model is employed to handle species sources in chemical reactions. CFD solutions indicate that the structure of underexpanded jet is typically influenced by the pressure ratio and afterburning. The shock reflection distance and maximum value of Mach number in the first shock cell increase with pressure ratio. Chemical reactions for the rocket exhaust mostly exist in the mixing layer of supersonic jet flows. This tends to reduce the intensity of shocks existing in the jet, responding to the variation of thermal parameters.     

非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维 Blasius 相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数 Mc =0.5(<1)和 Mc =1.2(≥1)两种情况下的扰动发声机制,结果表明：当对流马赫数 Mc <1时,流场中的发声机制主要由大尺度结构的涡条发声,且基本波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数 Mc ≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。     

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。     

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

高度欠膨胀声速射流的自相似特性

构建了高压气体射流模型和高分辨率的计算网格，对喷压比（NPR）为5.60、流动雷诺数Re为105量级的高度欠膨胀射流进行了三维大涡模拟（LES）计算.讨论了时均的射流近场结构，发现大涡模拟成功捕捉到了高度欠膨胀射流近场的典型波系结构，并与文献结果吻合较好.研究着重定量考察流向速度和氮气质量分数的分布规律，以揭示高度欠膨胀射流的自相似特性.结果表明:在射流核心区之后，不同流向位置上流向速度和氮气质量分数沿径向的分布呈现出与亚声速射流类似的自相似特性.但射流流场开始呈现自相似的位置仍然为超声速，这是高度欠膨胀射流自相似特性的独有特征.提出了高斯拟合公式，在靠近和远离射流中心线的区域内均可较好地表征射流的自相似特性.此外，还考察了射流剪切层的发展特征，比较了计算得到的射流剪切层增长率与先前实验测量结果的差异，并分析了其中可能的原因.      

底排装置空腔干扰下的火箭燃气流场数值模拟

从二维轴对称Euler方程出发,应用隐式有限体积TVD格式和分区技术数值模拟来流马赫数Ma=2 0,攻角α=0°时超声速绕流与底排装置空腔内的火箭燃气流相互干扰的复杂流场,计算得到了清晰的流场波系结构,包括底排装置空腔中的激波,火箭燃气流在底排装置空腔外底部与外来绕流作用后形成的相交激波、反射激波等,其结果可为底排火箭复合增程弹丸的结构设计和气动特性研究提供理论依据。     

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景，采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型，采用高精度WENO格式进行空间离散，并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致，来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构，并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析，揭示了流场结构特征及其时空演化规律，并获得了流场密度脉动特性。