二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

空间推进方法求解抛物化Navier-Stokes方程及其验证

采用伪时间空间推进方法求解完全气体PNS方程。PNS方程采用有限体积方法离散,在推进方向上采用一阶精度迎风格式,在推进面的展向和法向采用三阶精度的MUSCL插值和AUSM类通量构造格式;在推进面上的伪时间推进采用二维LU-SGS迭代方法。通过算例证明,空间推进方法能得到正确的压力、摩阻和热流分布,且计算时间比时间迭代方法快一个数量级以上。     

抛物化Navier-Stokes方程在求解高超声速流动稳定性分析 的基本流中的应用

通过在边界层内部使用边界层上缘的流向压力梯度代替该处的流向压力梯度,对传统抛物化Navier-Stokes(PNS)方程求解中的流向压力梯度的处理方法进行改进,从而使它可以求解用于稳定性分析的高超声速流动的基本流,并分别计算了平板、零攻角钝锥和小攻角钝锥三种典型算例.对于流向没有分离,且横向流动不强的流动,使用PNS方程计算高超声速流动稳定性分析用的基本流是可靠的.特别是改进后的方法求得的基本流的稳定性分析结果与直接求解Navier-Stokes(N-S)方程的结果非常吻合,但计算的时间消耗和空间占用都减少了一个数量级.     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。     

基于CFD技术的螺旋桨气动特性研究

通过求解绝对坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟螺旋桨侧流黏性绕流,计算螺旋桨非定常气动特性.为了保证时间精度和提高计算效率,采用含牛顿型LU-SGS(lower-upper symmetric-Gauss-Seidel)子迭代的全隐式双时间法并引入多重网格技术.为了描述桨叶的相对运动,采用运动嵌套网格技术.对于轴流状态,计算结果与实验值吻合良好;对于侧流状态,与工程算法1P(once-per-revolution)载荷法进行了比较,验证了方法的有效性.应用该方法计算螺旋桨在不同来流偏角下的周期性气动特性,可有效地用于螺旋桨的设计.      

BLU-SGS方法在WCNS高阶精度格式上的数值分析

高阶精度计算方法的收敛效率是目前CFD重要的研究内容之一。应用多块对接结构网格技术,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程(RANS)和五阶空间离散精度的显式加权紧致非线性格式(WCNS-E),针对NLR7301两段翼型和Trap Wing梯形翼两个低速算例,重点研究了BLU-SGS迭代方法应用于WCNS-E高阶精度格式上的收敛效率问题。通过与LU-SGS迭代方法收敛效率和计算结果的比较,研究结果表明:BLU-SGS迭代方法的收敛效率明显优于LU-SGS迭代方法;对于收敛的流场,BLU-SGS迭代方法的计算结果与LU-SGS方法的结果基本相同。     

含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场特性数值模拟

针对高超声速飞行器的烧蚀现象,采用Newton迭代的空间推进方法,数值求解化学非平衡的抛物化Navier-Stokes(PNS)方程.以黏胶基碳布-氨酚醛树脂为烧蚀材料,建立了含碱金属杂质的18组分33反应的化学反应模型,计算了小钝锥体的壁面温度,并和现有文献结果进行对比验证.在此基础上,对含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场进行了模拟,深入分析了含碱金属杂质的烧蚀反应对流场温度、压力和电子数密度的影响.结果表明:烧蚀反应使得流场温度较非烧蚀情况增加了10%~15%;考虑碱金属杂质Na后,流场电子数密度增大了1~2个数量级.      

利用GPU加速的三维N-S方程求解器研究

将三维可压缩Navier-Stokes方程求解器LMNS3D移植至GPU平台,研究了显式和隐式两种时间推进方法下利用GPU加速的策略与效果。其中显式方法采用五步Runge-Kutta法;隐式方法中由于LU-SGS算法数据依赖性强,不适于并行计算,因而采用了DP-LUR方法。测试表明,程序在双精度下可取得与原CPU代码一致的运算结果,并可获得约20x(RK)与15x(DP-LUR)的加速效果。     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

OA212翼型主动流动控制的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,探讨了基于零质量射流的主动流动控制技术对OA212旋翼翼型动态失速的控制效果和控制特性.以积分形式雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程为控制方程,采用格心有限体积法进行求解.空间离散采用AUSM~+-up格式,时间推进采用含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法,且引入了预处理方法和多重网格方法加速收敛.通过在喷口上施加非定常边界条件来模拟射流对翼型绕流的影响.研究了不同类型射流、不同位置射流以及不同控制参数(频率、相位、偏角、动量系数等)对动态失速控制效果的影响.研究表明:零质量射流和传统的定常射流均可减小动态失速迟滞环的回线面积,但在提高最大升力方面零质量射流明显优于定常射流;在12%c和62%c处施加组合零质量射流的控制效果最为明显.     

基于N-S方程和离散共轭方法的气动设计方法研究

对于基于梯度信息的优化设计方法,很重要的一点是快速准确获得目标函数对设计变量的梯度.本文采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为N-S方程.对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法求解.算例表明,对于亚声速和跨声速两种情况,该方法都能快速准确地获得升力和阻力关于设计变量的梯度.本文采用该方法进行了翼型优化设计,成功地减弱了激波,降低了总阻力.算例证明了本文方法可靠性好、收敛快, 特别适合工程实际.     

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

高阶DG格式多重网格方法构造中的不同隐式策略影响研究

DG方法是一种非常具有潜力的高精度方法,但其在对复杂外形的数值模拟方面仍存在内存需求量大、计算量巨大等不足.为了进一步提高DG方法求解Euler方程的效率,在传统p型多重网格的基础上,结合LU-SGS和GMRES两种隐式迭代方法,研究其整体加速性能.p型多重网格方法通过对不同阶次多项式近似解进行递归迭代求解,来达到加速收敛的目的.高阶近似(p＞0)使用显式龙格库塔格式,最低阶近似(p=0)使用隐式格式.对NACA0012翼型和ONERA M6机翼跨音速无粘流动进行数值模拟,结果表明:与显式TVD-RKDG时间格式相比,DG(p0)层上采用LU-SGS和GMRES的p型多重网格方法收敛速度均得到明显提高,且GMRES迭代法性能最佳,LU-SGS迭代法次之.     

高超声速飞行器单壁膨胀喷管的自动优化设计

为了提升高超声速飞行器单壁膨胀喷管的升力和推力,对其进行了优化设计。介绍了超声速流场的分区推进求解技术、流动的时间迭代和超声速流动的空间推进求解方法。对高超声速飞行器的单壁膨胀喷管进行了参数化描述。实现了喷管二维网格的自动生成。借助成熟的单目标和多目标优化软件,对喷管的推力和升力进行了优化。优化后的喷管在推力和升力方面有了大的提高。所采用的超声速流场分区推进求解和空间推进求解技术使得优化过程在单个CPU上能快速完成。     

COIL化学非平衡流动的一种解耦方法研究

提出了一种计算氧碘化学激光器化学非平衡流动的解耦方法.求解二维可压缩非定常N-S方程及组分连续方程,计算氧碘化学激光器中的组分混合反应流场.空间离散格式为AUSM up格式,用四步龙格-库塔方法作显式时间推进.假设混合气体为热力学完全而热值非完全气体,化学反应模型采用有限速率反应模型.使用一种"点隐式"方法来处理化学源项的刚性问题.计算结果表明本文方法可以有效解决计算中的刚性问题,与现有隐式算法相比减少了大量的矩阵运算,公式推导简单,易于实现和改进.     

钝锥大攻角超声速分离流场的数值模拟

最近,张涵信等人在传统的Beam-Warming隐式、无迭代、空间推进技术的基础上,根据边界层方程的性质,设计了一种可用小步长推进求解抛物化NS(PNS)方程、而不会引起解的“漂移现象”发生的方法。这种方法对轴对称流动的计算是成功的。本文就是将这一思想推广应用于大攻角有周向分离的流场计算。求解的区域为具有薄亚声速层的有粘与无粘干扰的整个激波层内的流场。在对攻角α=0°和α=20°的球钝锥的计算中,关于壁面上的压力、热流率及流场的涡旋结构均得到了满意的结果。文中特别研究了钝锥大攻角绕流的流动分离图象。 为了增强块三对角矩阵的主对角优势,通常在差分方程的左端附加二阶增量项。本文以选取适当小的推进步长的方法来达到增强主对角优势的目的,不需再附加二阶增量项,从而提高了解的精度。     

钝锥超声速粘性绕流的隐式推进求解方法研究

本文提出了一种新的推进求解方法。通过对模型方程的稳定性分析和钝锥超声速绕流的数值模拟,表明该方法既克服了文献中推进格式步长有下界和稳定性差的不足,也克服了亚声速区压力不好处理的困难。文中建立的一阶、二阶隐式推进格式,稳定性好,推进步长无下界,计算结果的精度较高。