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。     

弹道再入飞行器的无粘绕流及表面加热率的一种工程数值解法

RVSPHR是一种确定弹道再入飞行器无粘气动力和表面热流率的近似数值计算程序。在头部亚跨音速区内,由工程方法给出激波角及压力分布,并假定激波层内的物面法向压力和法向速度剖面,而相应的激波形状则按质量守恒条件迭代调整。下游超音速区仍由严格运动方程差分数值求解。在无粘流计算的基础上,用无需迭代的熵吞技术,计算表面热流率。所有计算结果与严格数值解及实验值作了比较,其一致性较好。     

三维坑湍流分离流动的粘流／无粘流干扰计算

本文对坑的三维分离流动做了低速粘流与无粘流的相互作用计算。对三维边界层反方法进行了分析和讨论。用数值试验的方法验证了在H和α作为已知量的情况下,三维边界层反方法的积分方程是双曲型的,并提出了一种近似数值特征线法进行求解。无粘流采用低速位流面元法。计算表明所用方法可计算出三维效应很强(即横向变化很大)的三维边界层分离流动。     

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。     

基于Navier-Stokes方程/自由尾迹/全位势方程的旋翼流场模拟混合方法

为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响和减少尾迹的数值耗散，建立了一个基于Navier-Stokes方程／自由尾迹分析／全位势方程的旋翼流场求解的新的混合方法。该方法的求解域由三部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的粘性区域．采用可压Navier-Stokes方程来捕捉近场信息，包括激波及尾迹；二是离桨叶较远、粘性可以忽略的等熵流区域，以全位势方程来描述其流动；三是在无粘区域中嵌入自由尾迹模型，模拟桨尖涡从粘性区域进入势流范围的发展变化。为便于流场分区求解和信息传递，采用了嵌套网格方法，并给出了不同区域之间的信息传递方法。以两叶的Caradorma＆Tung模型旋翼和四叶的UH-60A直升机旋翼为算例，计算给出了旋翼桨叶表面的压强分布以及桨尖涡的位置，并与可得到的试验数据及无尾迹模型方法的计算结果进行了对比，表明本文的混合方法能够很大程度地减少旋翼尾迹的数值耗散。     

翼-身组合体跨音速绕流全位势积分方程数值计算

 用积分方程方法求解 Prandtl- Glauert算子表示的全位势方程 ,并计算了翼 -身组合体跨音速绕流。用 Murman- Cole差分格式计算空间场源强度 ,以捕捉激波。计算结果与相应的实验结果符合良好     

跨声速非等熵势函数方程的数值求解

基于动量方程的特点,本文将只与温度有关的“等熵密度”与熵的变化分离,而由散度型动量方程直接计算出气体经过激波的熵增。与经典势函数方程迭代,可以方便地求解非等熵跨声速流动。从对任意回转面叶栅的跨声速流动计算来看,这种非等熵势函数得到的激波位置可比等熵势函数前移1～2个网格,强度有所减弱,和试验结果较接近。由于各流线的熵不相等,对Kutta条件和出口边界条件作了修正。本文建议的方法也可用于计算流函数的熵增。     

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。     

跨音速翼型分离绕流的粘性/无粘干扰迭代计算

本文用有粘/无粘干扰迭代的概念计算了跨音速任意翼型的绕流问题。位流的速位方程用AF2格式求解,而边界层微分方程用C-S盒式法求解,逆算法的引用可以克服边界层方程在分离点处的奇性问题,对分离区湍流代数模型的修正可以得到与实验更吻合的结果。计算结果表明有粘/无粘干扰迭代概念在小分离泡的情况下也是适用的。     

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。     

三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。     

改进跨音速位势方法的讨论

 简要地回顾并讨论了传统位势方法之不足。对改进传统位势方法的两种必要的修正(熵修正和涡修正)的量级在小扰动条件下作了分析和估值。结果表明涡修正是更高阶小量,因而作为第一步修正可采用非等熵位势流来近似。采用熵修正激波算子来计及非等熵的激波突跃条件,并考虑了由熵修正带来的尾迹条件的变化。算例表明非等熵位势方法能得到预期的改进位势方法的效果。     

高超声速激波/边界层干扰流动数值模拟研究

在基于Roe格式的全Navier-Stokes方程计算流体力学(CFD)代码中,发展了一种局部熵修正方法,克服了传统熵修正方法在边界层流动模拟中耗散过大的缺点,可用于更加准确的模拟激波/边界层干扰的复杂高超声速流动。对典型高超声速双锥边界层分离与激波干扰的复杂流动进行了模拟,研究了网格密度和熵修正方法耗散性对计算结果的影响。研究表明:高超声速双锥边界层分离与激波干扰流动的数值模拟结果对网格具有很强的敏感性,过稀的网格将产生严重的分离流动预测偏差;低耗散性的局部熵修正方法能更加准确地模拟复杂的高超声速激波与边界层分离流动干扰现象。     

超音速钝体无粘绕流的计算

研究用三维特征线相容性关系的迎风差分格式,数值模拟超音速和高超音速钝体无粘绕流流场。用钝体反方法计算头激波及其波后的流场,用轴对称流特征线法确定初值面上的流动参数。算例的计算结果与实验数据比较吻合     

跨音速平面叶栅全位势无粘-粘性迭代计算

本文发展了一种全位势与附面层、尾迹流正逆模式积分法迭代计算程序,给出了计算结果与国内外四个不同的叶栅风洞试验结果的对比分析。结果表明,对比是较为满意的,本文在网格生成,无粘跨音流求解和无粘流与附面层、尾迹流迭代等方面所作的发展和改进适用,使整个程序系统具有工程实用价值。      

用粘流－无粘流相互作用方法计算翼型的分离和失速

本文用势流－边界层相互作用方法计算低速翼型的分离和失速。势流用对称面元法。边界层用改进的滞后掺混法，考虑了高阶项影响，适用于计算分离。文中对粘流－无粘流耦合方法作了改进。改进的半反－局部联立耦合方法，考虑了相邻点之间的作用，收敛性较好。计算了ＮＡＣＡ４４１２翼型在不同迎角下的压力分布和气动力。计算结果与实验符合良好。算例表明，翼型高升力状态计算必须包括尾流的作用，也应当对势流计算压力与实际压力之间的差别进行修正。     

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。     

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。     

航天飞机头部无粘绕流的无波动,无自由参数格式的数值计算

本文采用气动中心张涵信教授提出的无波动、无自由参数耗散格式(NND)进行了如下的计算:航天飞机头部段对称剖面内的二维无粘绕流;航天飞机头部段三维无粘绕流;轴对称凹陷外形的三维无粘绕流。在物面坐标系下,用代数方程生成计算网格,利用特征相容关系式处理激波和物面边界。为了比较,还用SCM格式进行了计算。结果表明,本文所采用的NND格式,在捕捉流场内激波时不会出现非物理振荡,其收敛速度和所获得的计算结果都是令人满意的。     

机翼无粘跨音速绕流数值计算

本文介绍机翼无粘定常跨音速绕流的一种数值计算方法。选用全势方程作为数学模型。用适当的坐标变换把后掠翼变成矩形翼,再把无限物理空间变成有限的计算空间。在计算空间中,用混合型有限差分格式对方程离散化。差分方程形成的代数方程组用线松弛迭代求解。逐次加密计算网格,使计算较为经济。