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。     

时间倾斜法在叶轮机械非定常模拟中的应用

应用时间倾斜法处理非定常模拟中前后两排叶片栅距不相等的问题,通过对流动控制方程的时空转换,发展了相邻两叶排任意转速下非等栅距的非定常时间精确算法,使该方法拓展为适用于超常规动/动结构叶轮机械内的非定常流动计算.在此基础上编写了完整的时间倾斜法计算程序与约化算法计算程序.对某进口导叶/转子之间静/动干涉的非定常流场进行的计算表明:与约化算法相比,时间倾斜法采用原始单通道模型,真实地反映了流场的非定常性;同时,计算量仅为全通道模拟的2/41,大大节约了计算成本.      

捕捉间断的高精度数值方法

为发展适用于捕捉超声速流场中各种间断的高精度算法,将通量限制的思想引入到紧致格式中,构造了一个传统方法与紧致格式混合组成的通量限制型差分格式.通过在时间方向上利用一阶精度格式计算的一维定常激波,以及在时间方向采用多步Runge-Kutta方法计算的一维非定常激波管问题上的数值试验与二阶精度的TVD格式所计算的结果比较,表明新方法比二阶精度方法在间断的捕捉上具有明显的优势.通过新方法的计算结果与精确解的比较,表明新方法的准度也是非常令人满意的.     

一种计算非定常二维流动的无网格算法

主要目的是发展一套求解非定常流动的无网格算法。计算区域的离散方面,提出了一种按区域进行填充布点的点云自动生成方法;发展了一种点云的运动技术来实现离散点云对物面边界的随体运动;在点云离散的基础上,采用最小二乘法求解矛盾方程的方法来求取空间导数,进而获得数值通量;采用双时间方法进行时间离散推进,其中物理时间迭代采用二阶隐式格式,伪时间迭代采用四步龙格一库塔显式格式,为了加速收敛,在伪时间迭代中采用了当地时间步长和隐式残值光顺等加速收敛措施。最后,利用本文算法模拟了NACA0012翼型和NACA64A010翼型的跨音速非定常流动,并将计算结果与实验测量结果进行了对比分析,验证了上述方法的正确性和实用性。     

模拟存在运动激波流场的无网格自适应算法

将无网格自适应算法发展用于求解存在运动激波的非定常流动问题。为了降低初始布点要求,同时提高对运动激波的分辨率,提出了一种结合点云加密和点云粗化的动态点云技术。采用该技术,在非定常计算的每一个时间步,首先通过基于压强梯度的流场探针识别出激波所在位置,然后对激波附近点云进行加密,从而提高对激波的分辨率,同时对远离激波的点云进行粗化,尽可能减少冗余节点,提高计算效率。采用所提出的无网格自适应算法求解了N-S方程,首先对一维运动激波问题进行了数值模拟,通过将数值模拟结果与精确解比较,验证了所提算法求解存在运动激波的非定常流动的可行性,在此基础上,将方法推广用于二维非定常流动问题的求解,分别对瞬时激波碰撞圆柱以及双弧翼型激波振荡流动进行了数值模拟,计算结果表明,方法可以显著提高对激波的分辨率,同时相对于直接采用较密布点的非自适应算法,自适应算法在计算效率上具有优势。     

运动边界非定常全速流场的数值模拟

将预处理引入到ALE格式的非定常可压缩N-S方程中,发展了一种能有效模拟含运动边界的三维非定常全速流场的数值方法.控制方程在非结构动态网格上用双时间步推进并用隐式、LU-SGS迭代求解;提出了一种特征变量的边界条件以适合预处理后的特征系统.几个典型算例的结果表明,预处理方法将可压缩流方法的计算能力拓展到了低马赫数范围,有效地提高了收敛速度和计算精度.     

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

双重时间步方法在非定常流场模拟中的应用

在非定常流动的数值模拟中引入隐式双重时间步方法 ,并对2种经典的非定常流动现象进行计算 ,取得令人满意的结果,证明双重时间步方法具有较好的精度和较快的收敛速度。应用此方法对压气机动静叶非定常流场进行研究,结果表明高损失区集中在边界层附近及尾迹区;上游叶片排尾迹对下游叶片通道流动影响很大,它增加边界层损失,并在通道中与主流发生强烈掺混,最终使得出口流场及损失分布较为均匀。     

用于压气机流动计算的3种模型比较

为了更好地对压气机流动进行模拟，在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了用于压气机流场计算的混合平面法、谐波平衡法及相滞后法.以NASA Stage 35为例，对3种方法的计算结果进行了比较分析.结果表明:相滞后法的计算精度最高，混合平面法的计算精度最低；相滞后法与半环的双时间推进法结果相近，计算速度提高了20倍；相比混合平面法，谐波平衡法能准确地模拟动静叶间的非定常干涉及进出口参数变化；在谐波阶数达到5阶后，谐波平衡法计算得到的结果不随阶数变化，且与相滞后法的结果基本吻合；混合平面法的计算效率远高于另外两种方法，相滞后法与谐波平衡法在谐波阶数为5阶时的计算效率相当.      

涡桨飞机滑流影响的非定常数值模拟验证

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了螺旋桨非定常滑流对某涡桨飞机起飞构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动,采用了动态重叠网格技术,并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率,计算结果与试验值相当吻合,研究表明:滑流区内襟翼上的动压得到明显增强,同时高速滑流也起到一个吹除在大偏度襟翼上堆积的附面层作用,延迟了襟翼上气流的分离,这两个因素明显提高了襟翼效率,另外经过机翼的导流作用后,滑流对襟翼的洗流不像机翼那么明显。本文还将有无滑流的流场进行对比,通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界,以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象,初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点。     

时间推进积分方程法求解非定常跨声速流动

本文提出了一种求解非定常跨声速流动的新方法——时间推进积分方程法,此法克服了时间线化积分方程法的限制,能较好地模拟激波的运动。本文首先用一维波(?)问题——模型问题阐明此法的基本思想,然后将它应用于二维非定常跨声速流动中。本文还首次引入拟速度位的概念,使时间推进积分方程式得到简化,尾涡条件和Kutta条件更易处理。数值计算表明时间推进积分方程法是合理可靠的。     

Revisiting the space-time gradient method: A time-clocking perspective,high order difference time discretization and comparison with the harmonic balance method

This paper revisits the Space-Time Gradient (STG) method which was developed for efficient analysis of unsteady flows due to rotor–stator interaction and presents the method from an alternative time-clocking perspective. The STG method requires reordering of blade passages according to their relative clocking positions with respect to blades of an adjacent blade row. As the space-clocking is linked to an equivalent time-clocking, the passage reordering can be performed according to the alternative time-clocking. With the time-clocking perspective, unsteady flow solutions from different passages of the same blade row are mapped to flow solutions of the same passage at different time instants or phase angles. Accordingly, the time derivative of the unsteady flow equation is discretized in time directly, which is more natural than transforming the time derivative to a spatial one as with the original STG method. To improve the solution accuracy, a ninth order difference scheme has been investigated for discretizing the time derivative. To achieve a stable solution for the high order scheme, the implicit solution method of Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel/Gauss-Seidel (LU-SGS/GS) has been employed. The NASA Stage 35 and its blade-count-reduced variant are used to demonstrate the validity of the time-clocking based passage reordering and the advantages of the high order difference scheme for the STG method. Results from an existing harmonic balance flow solver are also provided to contrast the two methods in terms of solution stability and computational cost.     

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。     

模拟二维周期性非定常流动的谐波分析方法

介绍了一种从频域出发模拟二维周期性非定常翼型绕流的数值方法.考虑到很多工程中遇到的非定常流动问题都是周期性的,因此非定常流场中的守恒变量可以展开为傅立叶级数,其系数随空间位置的不同而改变.将这样的谐波假设引入欧拉方程,经过处理的方程不显式地含有时间导数项,实际求解的方程将具有定常方程的形式.在使用多重网格技术后,计算可以很快达到收敛.对NACA64A010翼型典型的周期性非定常绕流进行的数值模拟表明,这种方法在能够给出较为准确的计算结果的同时,与传统的双时间方法相比,可以大幅提高计算效率.     

一种基于动模态分解的翼型流动转捩预测新方法

考虑自由转捩的定常/非定常流动Navier-Stokes方程数值求解,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的精确预测均具有十分重要的意义。采用动模态分解(DMD)方法进行流动稳定性分析,再结合e N方法,提出了一套适用于翼型绕流的转捩预测新方法,称为DMD/e N方法。相比于传统的线性稳定性分析方法,DMD方法不需要求解附面层方程和线性稳定性方程,也没有引入平行流假设,具有更好的理论适用性和算法鲁棒性。开展了NLF0416、S809和SD7003等翼型的转捩预测数值验证研究,通过与实验结果以及与传统的基于线性稳定性分析的e N方法的比较,验证了本文所发展的转捩预测新方法在预测翼型的定常流动和非定常流动转捩方面的正确性,也表明了该方法具有解决含层流分离泡的翼型绕流转捩预测的能力。     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

基于适当控制翼型演化历程的气动设计方法

本文提出一种翼型设计的新方法,它基于适当控制翼型演化历程,采用求解非定常流动控制方程的方法,实现了翼型反问题的高效求解.同时在笛卡尔坐标系中应用Level-Set函数,避免了贴体动网格的采用,从而大大减少了所需计算工作量.     

含运动边界二维多体干扰流场的数值模拟

本文采用二阶精度Godonov扩展方法求解非定常：Euler方程，以基于格心的自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，空间和时间都是二阶精度，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，对作俯仰振动的NACA0012翼型绕流及激波管中运动、静止圆柱的流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步对含多体分离流场进行数值模拟打下了基础。