高超声速滚转阻尼导数数值模拟

采用非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程描述物体简谐振动流场,并在Ｅｔｋｉｎ理论下给出绕定轴转动时滚转阻尼导数的计算公式,定常流场的计算采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的ＮＮＤ格式,非定常流场的计算采用时、空二阶精度的Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ多步格式,采用代数和方法生成物体静、动网格。最后给出高超声速下钝体外形滚转阻尼导数的计算结果,以及滚转力矩系数随瞬时振幅的变化曲线。     

钝体俯仰阻尼导数数值计算

分别采用：（1）Euler方程的谐振摄动法；（2）薄层近似的非定常N－S方程模拟有粘扰动流场两种方法计算了钝体外形的高超声速俯仰阻尼导数。通过计算表明：对于复杂外形，方法（1）适用于零攻角附近的流动计算，而方法（2）考虑了流场的粘性作用，能够应用于一般流态（3＜M＜20，0＜a＜20°）的计算。此外，本文发展了文献［6］的动导数转换公式，使之适用于二维转轴情况，并在方法（2）中通过引入“亚迭代”过程提高了非定常流场的计算精度。     

围壳形状对潜艇流致噪声的影响计算

针对潜艇在航行中产生的流噪声现象,建立了适合于潜艇绕流过程中流噪声计算的三维数值方法和计算程序。其基本思路为:采用多块技术与SIMPLE方法求解RANS方程计算定常流场,在稳态流场的基础上,采用迭代时间推进法和DES湍流模型求解非定常流场,再根据瞬态流场结果采用Lighthill声比拟方法获得声观测点随时间变化的声压。对尺度放大的潜艇标模SUBOFF以及三种改进的围壳外形进行了流致噪声比较计算,获得了不同围壳外形的声压频谱和总声压特性以及典型模型的表面脉动压力分布规律。结果表明:把潜艇围壳后缘形状从矩形变为梯形,可控制围壳的尾流摆动,能够有效降低潜艇流噪声,最大的降噪效果可达5dB左右。     

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。     

大迎角振动三角翼跨声速粘性绕流数值分析

本文通过数值求解三维可压缩雷诺平均ＮＳ方程，研究发析了振动三角翼的三维复杂非定常流场，其中对流场项计算格式的空间离散在平行物物理面方向与物面法线方向的空间导数分别采用二阶ＮＮＤ格式和由ＮＮＤ格式高阶插值而得到的三阶迎风格式，时间推进为隐式ＬＵ分解方法，并使用了修正的代数ＢＬ湍流模型模拟高雷诺数的湍流流动。     

基于深度神经网络的含运动边界非定常流场预测方法研究

针对飞行器设计过程中对流固耦合系统快速预测的需求,探索基于数据驱动的非定常流场建模策略,缩短流场演化求解耗时,从而加快流固耦合系统模拟速度。流固耦合系统中流场演化求解部分等价于含运动边界的非定常流场演化。本文提出了一种基于神经网络的流场预测模型,来学习并预测运动边界附近的非定常流场演化过程。此神经网络可以基于当前流场状态及边界运动信息预测出下一个时刻的流场状态。通过不同振动频率及振幅下的运动圆柱绕流问题,测试了本文提出的神经网络模型的预测精度及泛化能力。神经网络的预测结果和计算流体力学仿真结果中流场结构吻合度较高,且通过对预测的流场数据中边界上的压力积分得到的气动力也具有较高的精度。测试结果展示了该神经网络模型具有良好的预测性能,因此该方法可以用于快速、准确获得运动边界周围非定常流场状态。     

涡轮非定常流数值计算方法研究

在实际叶片排几何模型不变的条件下,采用交接面周期性处理方法可大大缩小非定常流计算域,减小计算量,但该处理方法会给非定常流计算带来一些近似,通过某跨声速涡轮级三维粘流数值计算,分析和评估计算方法,结论是该方法不改变时间平均下的稳态性能参数,而且可用于多级涡轮非定常流计算.      

用Newton子迭代方法计算前飞旋翼粘性绕流

通过求解Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场，为了同时保证计算的时间精确性和计算效率，时间推进格式采用了双时间推进方法，在该方法中，子迭代过程由十分高效的LU-SSOR方法完成，且使子迭代过程成为Newton子迭代，空间上应用中心平均的有限体积法进行离散，为了模拟前飞桨时间的相对运动，网格布局采用了运动嵌套网格方法，应用本文方法对-悬停流场进行了数值计算，计算结果与实验吻合较好，尽管缺乏实验数据的验证，对-有升力前飞状态的数值模拟结果是可信的。     

叶轮机内部转/静干涉作用的数值模拟

本文对叶轮机械内部转/静干涉问题的非定常数值模拟进行了研究.采用双重时间步方法和Dornain-Scaling方法求解二维N-S方程组,数值模拟了某涡轮叶栅内部的非定常流场.通过计算展示了在转/静干涉作用下的叶型尾迹,转子尾迹的传输和尾迹的切割等非定常现象.     

基于机器学习的非定常流场网格自适应

现有针对非定常流场数值模拟的网格自适应方法,通常每隔一段时间步就进行一次网格调整,增加了计算复杂度和精度损失。针对这一问题,本文基于间断伽辽金（discontinuity Galerkin, DG）有限元法提出了结合BPNN(backpropagation neural network)和MMPDE(moving mesh partial differential equation)的非定常流场网格自适应方法。该方法首先采用DG有限元法对Navier-Stokes方程进行非定常计算,得到统计意义上的网格间断量;然后以初始网格和间断量训练BPNN回归模型,用于预测任意位置节点的间断量;接着使用MMPDE变分法移动网格节点,使其符合统计意义的间断量分布;最终通过Laplacian网格平滑法保证网格单元质量。圆柱绕流非定常流场算例的验证结果表明,该方法能够在不改变网格拓扑结构和不增加节点数的情况下完成一次性网格自适应,显著提高了非定常流场数值计算的精度和效率。     

求解可压缩N－S方程的无粘－粘性分数步法

用按物理过程作时间分裂的无粘－粘性分数步法求解可压缩Ｎ－Ｓ方程，无粘步用高效欧拉算法解欧拉方程，粘性步用全隐格式解抛物方程；并采取了有效措施消除由分步法产生的时间和空间不相容性，文中给出了轴对称喷管内外流场的数值模拟结果。     

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.      

微型飞行器小展弦比机翼的低雷诺数气动力特性分析

以固定机翼式微型飞行器的气动设计为研究背景,对小展弦比薄机翼的低雷诺数气动力特性进行了数值分析.不可压粘性绕流的求解采用了人工压缩性方法,其中对流项的离散应用了三阶迎风格式.湍流模型为Baldwin-Barth一方程模型.一无弯度薄翼的数值计算结果表明本文的数值方法是成功的.通过数值分析,揭示了弯度和展弦比对气动力特性的影响,也给出了不同弯度机翼流动结构的差别.     

全隐式TVD格式求解二维Euler方程的对角化算法

本文采用有限体积法,Chakravarthy提出的基于近似Riemann解的全隐式TVD差分格式求解二维非定常Euler方程。采用牛顿法对半离散化后的全隐式差分方程进行线性化,然后对线性化后的方程采用近似因式分解法处理,得到了两组三对角块矩阵方程组。在求解该方程组时,采用了矩阵对角化思想使原来的4×4三对角块矩阵方程组转化为4组分离的三对角代数方程组,因而大大节省了求解方程组所耗费的计算时间,提高了计算效率。通过对翼型的跨声速绕流问题及圆柱超声速流动问题的计算,证实了本文算法不但简便可靠,而且还具有较强的通用性。采用TVD格式捕捉到的激波分辨率高,上、下游无任何波动。     

电弧风洞内球锥全目标绕流场计算分析

针对电弧风洞高焓气体来流条件,通过数值求解三维化学非平衡Navier-Stokes方程,分析无烧蚀球锥全目标绕流场真实气体效应.考虑空气电离化学反应系统,包含7个化学组元和6个反应方程.差分算法是隐式NND格式.依据实验来流条件,计算了不同壁温及不同壁面催化特性下的流场结构和电子数密度,观察了来流非均匀性的影响.结果表明.尾迹区对模拟条件较敏感,其电子数密度随壁温降低而升高,完全催化壁的电子数密度约比非催化壁低近一个量级,实验状态的计算应采用风洞实际来流条件,     

进气道物面贴体坐标生成的几何自适应控制方法

针对轴对称进气道跨音速绕流问题的特点，用几何自适应的方法和椭圆型方程构筑了适合流场特征的贴体坐标系，并用AF3格式计算了A－27进气道物面上的压力分布。计算结果表明：几何自适应方法能够控制进气道物面上网点的疏密，给出进气进物面上网点的良好分布，从而为进气道跨音速绕流问题的准确计算奠定了基础。     

喷管化学反应流的对角化点隐式法求解

采用弱耦合对角化点隐式方法的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式,求解喷管的粘性化学反应流动,解决了控制方程组的刚性问题,又大大减少了常规点隐式方法中求逆矩阵的大量工作。对液氢液氧火箭发动机,采用６种组分、８个反应有限速率的化学反应模型和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流场参数在喷管中的分布。计算结果表明,采用对角化点隐式方法求解化学反应喷管粘性流动能提高计算效率。     

欧拉方程隐式迭代矢通量分裂跨音流场计算

 本文用矢通量分裂格式的有限体积法求解时间相关欧拉方程组。文中证明,矢通量分裂的有限体积法不能再采用物面反射边界条件。二维问题用隐式迭代法解代数方程组,第三维方向上则用强隐格式往返扫描。此法CFL数可达100的数量级,收敛快,占内存少。跨音流场计算结果与实验符合良好,激波只占一两个网格。     

H_2引燃雾化煤油超燃混合的数值研究

为研究H2 引燃的煤油超燃混合问题 ,采用流体模型描述两相流动 ,气相反应系统的全N S方程风迎风TVD格式求解 ,液相扩散的Euler方程用NND格式求解 ,化学反应源项采用点隐处理 ,对单喷嘴喷H2 超声速燃烧、H2 引燃的煤油超燃混合问题进行了数值研究。获得了压力、密度、温度和组元浓度场的分布。结果表明 :与单喷嘴喷H2 相比 ,下游喷嘴H2 的射流穿透深度和扩散范围增大 ,燃烧区也变大 ;虽然煤油穿透深度大 ,但其扩散较H2 差 ,且下游出现无煤油区。