基于RANS/LES方法的超声速底部流场数值模拟

分别采用基于两方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型的延迟DES(DDES)、更改的DDES(MDDES)和改进的DDES(IDDES)方法,并引入可压缩修正,结合三阶MUSCL-Roe和五阶WENO-Roe两种空间离散格式,针对超声速底部的复杂流动现象,开展了数值模拟研究。计算结果表明本文方法能够捕捉到超声速底部流动中丰富的湍流结构,通过分析计算结果对超声速底部的流动机理有了进一步的认识,为下一步的超声速底部流动减阻改进和雷诺平均NavierStokes/大涡模拟(RANS/LES)方法在非定常高可压缩性流动中的应用提供了参考。通过对比分析不同空间离散格式的计算结果研究了数值耗散对计算的影响,五阶WENO-Roe格式的计算结果与实验结果吻合良好;对不同RANS/LES混合方法的计算结果进行了对比分析,结果表明IDDES方法在近壁区的表现优于DDES和MDDES方法。     

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。     

螺旋式发射管内火箭燃气冲击流场数值模拟

用改进的MUSCL格式解三维、可压缩平均雷诺纳维尔-斯托克斯方程组,湍流模型为Spalart-Allmaras代数模型,计算和分析了火箭发射管内燃气冲击流场.在建立差分算法时,将有限体积离散和黎曼解算器相结合,简化了计算工作.首先,以小喉截面超声速喷管流动问题开展数值实验,数值结果与实验数据吻合很好;其次,计算了火箭发射管内燃气流场,获得发射管内气流压强和温度等物理参数分布.     

可压缩混合层的涡结构演化与流质混合

为研究可压缩混合层的流动结构,采用七阶精度广义紧致格式离散对流项和用显式八阶精度的中心格式离散粘性项,数值求解了非定常三维可压缩Navier-Stokes方程。用约4亿规模的网格,直接数值模拟了对流马赫数为0.7的超声速可压缩混合层的空间发展流动,获得了自初始流动失稳直至充分发展湍流流动结构的精细演化历程,所得结果表明:大尺度涡结构的生成使得混合层的动量厚度快速增长,并主宰了由被动标量质量分数展示的可视混合厚度的量级,充分发展湍流的小尺度的结构主要使得该量级厚度内的流质混合趋于均匀,对可视厚度增长的贡献非常有限。     

MLP高阶重构格式应用

在有限体积框架下,利用MLP(multi-dimensional limiting process)系列重构格式结合HLLHLLC(Harten-Lax-van Leer with contact)近似黎曼求解器,同时引入激波探测函数进一步降低MLP在光滑流动区域的数值耗散,数值模拟了超声速前台阶流动、结冰翼型的非定常流动、高超声速双楔流动和DLR F6-WB跨声速流场,研究了MLP系列格式在可压缩复杂流场中的表现.结果表明:在多维空间中,MLP格式能够在如强斜激波与网格线不重合等复杂流场数值模拟中保持严格的流场单调性;具有和传统MUSCL(monotone upstream-centered schemes for conservation laws)格式类似的计算效率,可以实现5阶,甚至更高阶重构;数值耗散更低,捕获更准确的激波位置,对航空工程数值模拟具有重要意义.     

超声速绕凹角流动的压力分裂形式简化N—S方程数值解

本文从压力分裂形式的简化Ｎ－Ｓ方程出发，用Ｒｕｂｉｎ格式对超声速粘性流动进行了数值求解，给出了超声速绕凹角附着流及带有小分离气泡流动的结果，与其它数值方法所得结果相比，符合较好。     

基于涡限制法的旋翼气动噪声计算

在直升机旋翼流动的数值模拟中,流动求解精度对旋翼气动噪声的预测有着重要影响.采用中心格式有限体积法求解可压缩Euler方程数值模拟旋翼绕流,并采用基于Ffowcs Williams- Hawkings( FW-H)方程的声类比方法计算旋翼气动噪声.为了抑制中心格式的数值耗散,保持机翼翼尖以及旋翼桨尖的尾涡结构,引入了涡...     

有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟

针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。     

HLL-HLLC格式的构造与应用研究

HLLC格式是一种单调高分辨率格式,能够精确捕捉激波、接触间断和稀疏波,在可压缩流动中具有很高的应用价值;HLL格式相较于HLLC格式,抹平了接触间断,具有较大的数值耗散。然而,数值计算表明,在低马赫数和跨声速计算中表现较好的HLLC格式,在高马赫数强激波附近出现了激波不稳定现象。本文意图通过研究HLLC和HLL格式的数学性质,构造出一种适合更大马赫数范围的HLL-HLLC格式。新格式在较低马赫数下表现出HLLC的性质,是一种低耗散的格式;在高马赫数时具有HLL格式的性质,能够克服激波不稳定现象。通过对高超声速双楔流动、超声速后台阶流动和高超声速钝头体流动数值模拟证明了本文构造格式克服激波不稳定现象的有效性和鲁棒性。     

LU-AUSMPW混合格式在可压缩无粘和粘性流动数值分析中的应用

本文首先将 AUSMPW格式与三阶 MUSCL格式融合, 给出了其在任意曲线坐标下的三维形式, 并将其与 LU-SGS格式结合, 应用于可压缩 Euler和 Navier-Stokes方程的求解。其次, 构造了一种新的通量限制器。最后, 为了验证 LU -AUSMPW混合格式的性能, 将平面叶栅跨音速无粘流动以及喷管超音速粘性流动作为算例。本文计算结果与文献计算结果和实验数据相符很好, 表明采用 LU-AUSMPW混合格式数值模拟可压缩流场, 具有较高的计算精度、较快的收敛速度和良好的稳定性。      

谱方法的基本问题与有限谱法

本文概述了谱方法的特点，讨论了谱方法的四个基本问题及解决方法，由此得出谱方法局域化的重要性，重点介绍了作者提出的有限谱法两个发展阶段，特别是最近的基于截断傅立叶积分的有限谱法，列举了有限谱法的一系列计算格式，给出了计算高超声速流，各向同性湍流，地震波的传播，分区算法，复杂形状物体，激波管问题，KdV方程，湍流和激波相干扰等问题的计算结果。     

数值求解可压缩N—S方程的增量迭代法

本文在Beam-Warming格式的基础上,引入通量分裂的概念,应用行高斯迭代技术提出了一个二阶隐式的求解BFC坐标变换下的N-S方程的增量迭代法。它消除了因式分解带来的寄生误差,合理地处理了控制方程中的粘性项,具有较好的收敛性和稳定性。二维Poissuill流动和Couette流动的计算结果和精确解吻合良好。S形进气道的数值解反映出的现象和实验结果是一致的。     

多级轴流压气机展向掺混的数值模拟

在紊流扩散模型的基础上, 通过引入二次流造成的气流过转折/欠转折影响, 完成了S₂流面的展向掺混数值模拟。分别用Galimore-Cumpsty掺混模型或Baldwin-Lomax紊流模型计及紊流扩散的作用;落后角的预估在二维Carter公式基础上引入了Roberts二次流修正模型。应用上述方法对两台3级轴流压气机进行了计算。计算的出口总温、总压等参数与实验较吻合, 与其他单独考虑紊流扩散和二次流效应的掺混计算结果比较表明了本文方法的有效性。      

超音进气道流场的数值计算

用Jameson的有限体积法,对某型号飞机在不同飞行状态下的进气道流场进行了数值模拟。求解的控制方程为三维非定常N-S方程。在对流项的计算上用二阶中心差分有限体积法,粘性项的计算则采用作者在［1］中发表的一种有限体积框架下的新的离散化技术,时间方向用多步Runge-Kutta方法进行推进,以增大CFL条件数。湍流模型则采用Baldwin-Lomax代数模型。求解过程中还采用了当地时间步长,隐式残量平均、人工粘性等加速收敛技巧。最后给出了各种飞行状态下进气逼出口截面的平均总压恢复与总压畸变,得出了比较满意的结果。     

基于CFD方法对微型扑翼翼型设计的研究

基于CFD方法从扑翼设计的角度出发对扑翼的外形进行深入的研究.使用基于广义无限插值理论的代数网格生成方法开发适合扑翼运动的三维结构N-S动网格,并应用有限体积法结合双时间推进技术求解预处理后的低速三维非定常N-S方程,完成了对低速扑翼绕流的数值模拟.通过与文献算例的比较验证了本文方法的可靠性和正确性.在此基础上,对文献[8]中介绍的一种混合翼型的相关参数变化对扑翼气动特性的影响开展了深入的研究.     

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。     

具有轴向流的可压缩非定常旋涡流

本文研究埋定常轴对称自由旋涡流动结构的可压缩效应，探索旋涡的密度变化，粘性扩散和热传导的耦合作用机制。在回顾了前人某些典型结果之后，首次给邮了具有轴向拉伸率的可压缩非定常轴对称自由旋涡在高Ｒｅ数和小Ｍ数下的近似解析解。     

一种基于数值计算的轴流压气机旋转失速稳定性模型——之一:理论模型及算法分析

本文提出了一个基于直接数值计算结果基础上的旋转失速线性稳定性模型,描述了如何从基本的Navier－Stokes方程出发,把轴流压气机流动稳定性问题转化为一个特征值问题的基本理论框架。对压气机不稳定边界的判断通过计算和检验特征值的方式来实现。本文给出了有限差分法和基于Gauss－Lobatto节点的谱配置方法两种数值离散的方式,并分析了这两种离散方式的收敛特性。     

叶轮机粘性流矢量方程在曲线坐标系中展开的新方法和数值计算

本文讨论在非正交曲线坐标系中 ,粘性流矢量方程一种新的展开思路。应用这种展开方法可以得到项数减少很多的展开式 ,便于工程计算。文中同时给出了可压缩与不可压缩方程的展开式 ,给出了统一方程表达式。最后对二维不可压叶栅粘性流和三维可压叶栅粘性流进行了数值计算 ,计算表明本文给出的新展开方程是有实用价值的     

扫描有限元法求解二元喷管的三维可压粘性流场

发展了一种二元喷管流场计算的三维Ｎ－Ｓ方程扫描有限元方法,给出了Ｎ－Ｓ方程中二阶导数项新的离散方法,以及更完善、简洁的扫描有限元方程的表达式。开发了相应的计算程序,用所发展的方法对二维平面收扩喷管、两种大宽高比的二元喷管及其圆变方转接段的三维粘性流场进行了计算,计算结果表明本方法具有较宽广的适用范围,计算结果良好