基于拟压缩方法的扩压器低速流场数值研究

发展了基于拟压缩方法的求解叶轮机械低马赫数流场的方法,研制了时间推进方法对叶轮机械全流速范围流场的求解计算程序,且对拟压缩因子的取值进行了讨论.通过对离心压缩机叶片扩压器的数值计算表明,发展的基于拟压缩方法能够快速正确的预测叶轮机械内的低速流场;引入拟压缩方法是对时间推进方法的一个很好补充,使时间推进方法的应用范围得到了拓展.      

时间推进法求解叶轮机械内不可压流动

发展了一种用时间推进方法求解叶轮机械内部不可压流动的计算程序。在这个程序中, 使用分布体力方法简化湍流粘性的求解过程, 根据Ｂａｌｄｗ ｉｎ－Ｌｏａｍ ｘ 两层代数湍流模型确定粘性应力的大小。程序中还使用局部时间步长和多重网格数值技术加速收敛。火箭燃料主泵前诱导轮内部流场的实例计算表明, 采用这一计算程序能够正确预测叶轮机械内部不可压流场。     

叶轮机械三维不可压Euler方程的直接解法

本文用近似因式分解交替方向隐式格式直接求解叶轮机械中原参数三维不可压Euler方程组。在连续方程中引入“拟压缩性”之后,将原来类型不确定的控制方程变成双曲型方程,给定初边值之后用时间推进法求得稳定解,对一个单级压气机转子内部流场进行了计算,结果与实验值比较符合。     

离心叶轮出口三维流场研究

文发展了一种通过求解不可压缩、定常、时均 N- S方程、连续性方程和 k- ε湍流模型方程分析离心叶轮出口三维流场的方法。该方法的差分计算网格通过代数变换关系生成 ,可方便地应用于离心叶轮设计分析。为检验本文分析方法的有效性 ,对一个三元闭式离心压缩机叶轮出口流场进行了实验测量。计算与实验比较表明 ,本文方法预示出的平均流场与实验数据符合良好     

微型旋翼的不可压流动数值模拟

通过求解拟压缩性修正后的Euler方程成功地模拟了悬停时微型直升机旋翼的绕流。由于拟压缩项的加入,使不可压Euler方程组的类型发生了变化,相当于使方程组变成了双曲型,因此,求解可压缩流场的时间推进解法用于本文的不可压缩流场求解。计算中,网格采用O-H拓扑形式的结构网格,空间离散采用中心有限体积法,时间推进为五步Runge-Kutta方法。采用了当地时间步长、压强阻尼及隐式残值平均方法来加速收敛。应用此方法对低速条件下旋翼悬停绕流进行了数值模拟,计算结果与实验数据吻合得较好,经气动分析,证明拟压缩性方法运用于微型直升机旋翼是完全可行的。     

两种多重网格法求解径流叶轮机械可压流动

为了加快数值求解叶轮机械内部流场的收敛速度,并改善计算结果,在数值求解径流叶轮机械可压流动的计算中,采用了由微元、二重和三重网格逐级转入和同时转入的两种多重网格法。对德国宇航局Ｋｒａｉｎ Ｈ设计的离心压气机内部流场的数值计算表明,两种多重网格法的计算结果差别不大,尽管在收敛速度方面存在差异,但均与测量数据吻合比较好。     

离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应分析

为研究离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应特性,根据推导出的相对坐标系下HLLC通量算式,自行开发了基于多块结构化网格的叶片机流场分析程序。首先对跨声Krain叶轮和亚声径向叶轮展开算例考核,程序计算的性能曲线和叶表压力数据与试验和商业软件的结果吻合较好,且具有较商业软件更快的计算速度。之后以径向叶轮为对象,数值求解其内流场对进口压力脉冲的响应,对结果的分析表明:脉冲越尖,上下游流场变化越不同步,导致出口流量和气动力矩峰值时刻的延迟,流场压力的时空分布找不到时间对称轴。叶片载荷的空间分布特征不因脉冲宽窄和时间推进而改变,脉冲越宽,流场受扰变化时间越长,载荷峰值就越偏离稳态值。流场密度的变化值在不同时刻的空间分布是近似的。      

叶轮机械中三维跨音流场的数值模拟

由于航空发动机和大功率凝汽式蒸汽透平研制的实际需要,近年来对于叶轮机械中带激波的三维跨音流场的研究、分析与计算十分重视,并已取得了相当大的进展。这些工作都是基于时间推进法来进行数值求解。[5]由微分型的基本方程组出发,采用MacCormack格式进行计算,得到了压气机叶列中的三维跨音流场。该方法的不足之处是,要求的运算时间太长,这可能是由于使用微分方程,为保证所需精度在计算区域中安排了多达25000个网格点的缘故。[1—4]及[6、7]从积分型的基本方程组出发,     

叶轮机气弹耦合方程求解的时间推进方法评估

为了提高叶轮机颤振预测时的计算效率,同时兼顾求解的稳定性,有必要选取最适合的时间推进方法。基于降阶结构 动力学方程的双向流固耦合方法常用于压气机气弹性能分析,针对气动弹性控制方程中结构动力学方程考查了多种时间推进方 法对计算结果的影响。通过单自由度弹簧系统的数值求解探讨了不同时间推进方法的特点;选取实际压气机算例NASA Rotor 67 进行颤振流固耦合分析,进行大量数值试验找到了各时间推进方法需要的最大时间步长,以此为依据对比出不同时间推进方法的 计算效率。结果表明：采用单自由度弹簧系统和压气机颤振耦合求解得出的结论基本一致,说明时间推进方法的性能更多地与方 法本身的数学性质有关,但是流固耦合求解时流场和结构的信息交互会带来一定影响。以实际颤振算例叶片瞬态响应振幅的对 数衰减率作为衡量精度的标准,经典龙格-库塔方法是颤振耦合计算达到相同精度耗时最少的方法,其次是4阶隐式Adams方法 和Newmark方法。     

跨音速单转子压气机三维湍流流场的数值计算

用有限体积表示的三维雷诺平均N-S方程显式格式的时间推进法, 对一个单转子压气机的三维湍流流场进行了计算。方法中应用了Baldwin-Lomax湍流模型。这个单转子压气机是第39届国际燃气轮机会议作为考核三维流场数值方法的盲题。计算结果与实验实测的结果进行了比较, 证明本文提出的方法可以用来验证叶轮机械气动设计。      

超声速化学反应流动的LU-SGS伪时间迭代空间推进求解

介绍了求解超声速多组分有限速率化学反应流动的伪时间迭代(lower-upper symmetric-Gauss-Seidel,LU-SGS)方法.空间推进求解多组分抛物化(parabolized Navier-Stokes,PNS)方程时,在一个推进面上采用修正的LU-SGS方法迭代至收敛,把得到的结果作为初值赋给下一个推进面.沿推进面依次迭代直至求解完整个流场.采用伪时间迭代LU-SGS方法求解化学反应PNS方程,计算结果的准确性和时间迭代求解完全Navier-Stokes(N-S)方程相当,求解效率提高一个数量级.      

面向稀薄流非线性本构预测的机器学习方法

稀薄非平衡流域内连续介质假设已经失效,主要围绕Boltzmann方程及模型方程对稀薄非平衡流开展理论与计算研究,统一气体动理论格式（UGKS）是其中一种代表性方法。在稀薄非平衡流数值模拟中,Navier-Stokes （N-S）方程连续介质假设已经失效,不能有效描述流场非平衡特征。UGKS方法虽然计算精度高,但速度空间离散导致计算效率低下,多维高速条件下数值计算难以开展。基于数据驱动的思想,在N-S方程与UGKS方法的研究基础上发展出了一种稀薄非平衡流非线性本构关系求解方法（DNCR）。该方法以N-S与UGKS求解器获得的流场数值模拟计算结果作为训练数据集,基于流场特征参数采用极端随机树算法生成机器学习模型,对预测流场中线性黏性应力项与热流项进行非线性修正,并耦合非线性本构关系求解宏观守恒方程得到目标状态稀薄非平衡流动数值解。针对DNCR方法中所采用的机器学习方法-极端随机树模型,通过二维顶盖驱动方腔流算例对高维非线性建模涉及的特征参数选取、参数调优开展了相关验证工作,选取若干典型状态对极端随机树模型的泛化性能开展研究,并评估了相关模型与方法的计算精度与计算效率。     

基于IPDG方法的超声速混合层流动数值模拟

为了满足超声速混合层高精度模拟需求,实现了基于内罚方法的间断伽辽金(IPDG)方法数值模拟。通过将黏性通量作为辅助变量使得Navier-Stokes方程降阶,并利用间断伽辽金方法进行空间离散,最后采用Newton-Krylov隐式方法对空间半离散方程进行时间推进。相对于有限体积法数值精度提高到了3阶。将该方法应用于对流马赫数为0.2的二维平面超声速混合层的数值模拟中,通过与实验数据的对比验证了方法的可靠性。数值结果显示了混合层中层流到湍流的发展过程。在此基础上,将基于数值解误差分布的自适应网格技术与IPDG方法结合起来,对比发现自适应网格数量减少了9倍,计算时间减少了8倍,大幅提高了方法的计算效率。      

流场可压缩性对涡相互作用影响的数值研究

涡相互作用作为冲压发动机喷注装置的典型抽象流动现象,研究其可压缩性影响对于认识包含化学反应的真实燃料喷射场具有一定基础理论价值。基于经过数值验证的可压缩Navier-Stokes算法与压力泊松方程初始条件设置方法研究流场可压缩性对涡相互作用演化过程的影响。结果表明,以较高涡旋马赫数表征的可压缩性在改变涡对形态的同时,具有延缓涡旋相互靠近,迟滞融合进程的作用。关于涡对系统开始融合的临界条件,可压缩相互作用开始的临界展弦比与无量纲时间相比于低速涡对明显提高。为在无量纲时间意义下统一不同马赫数涡对相互作用的进程,从涡心密度随时间变化规律出发在不可压涡对特征时间的基础上,初步构建了考虑可压缩性的时间尺度修正关系。     

不同马赫数的无粘和粘性流动高阶精度隐式计算方法

 应用隐式时间推进法对不同马赫数的无粘和粘性流动进行数值分析,给出了基于预处理方法的高阶精度隐式求解方法。方程离散采用改进的高阶精度对流迎风分裂格式。该方法通过求解曲线坐标系可压缩Euler和 Navier-Stokes方程,对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动的典型问题进行了数值分析。计算结果与文献的数值结果或实验数据对比分析表明,该方法对低速到超音速范围内的无粘和粘性流动问题进行数值分析是可行而有效的。     

微可压缩模型(SCM)与可压缩N-S方程数值计算对比研究

本文开展了微可压缩模型与可压缩N-S方程之间的对比研究.通过对层流平板边界层和椭球高雷诺数湍流绕流的数值模拟,比较了微可压缩模型和可压缩N-S方程之间的计算精度和效率.计算结果表明,微可压缩模型和可压缩N-S方程具有相同的计算精度,但是微可压缩模型具有更高的计算效率,内存和CPU时间都节省20%左右.     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

非定常低雷诺数流数值模拟方法研究

低雷诺数翼型流动的一个重要特征是分离泡的产生,并且分离泡通常是非定常的。基于有限体积法,N-S方程和S-A模型的控制方程非耦合求解,时间均采用牛顿型LU-SGS方法推进,无粘项和粘性项用中心差分方法离散计算,在计算非定常流场时,采用伪时间子迭代方法,湍流模型计算时采用在固定点转捩,研究了二维翼型低雷诺数流粘性流动的数值模拟方法,并利用所开发的非定常可压缩粘性流计算方法,数值模拟了在低雷诺数下两种翼型的非定常流动。计算结果表明：气动力系数及分离泡呈规则的周期性变化,证明方法是成功的、可行的。