气体动理论BGK格式的网格自适应方法

为了提高气体动理论BGK（Bhatnagr-Gross-Krook）格式在超声速流动问题计算时激波捕捉的准确性与计算效率,提出了一种适用于气体动理论BGK格式的网格自适应加密方法。该方法采用基于四边形的链表技术来描述网格的拓扑结构,在物理量重构过程中,使用了在四边形网格中表现优异的van Leer限制器,以保证粗细网格过渡处物理量重构的精度。用跨声速翼型绕流（马赫数Ma=0.85）、超声速前台阶流（Ma=3）和高超声速圆柱绕流（Ma=8.03）等多个典型算例验证了BGK自适应网格方法。计算结果表明,自适应网格BGK方法在保证数值精度的前提下,可大幅度提高计算效率。这为该方法用于高效地解决复杂问题提供了一种选择。     

化学动力学模型对H2/AIR超燃模拟的影响

为了研究超燃流动中不同化学反应模型的影响，提出流动项与化学反应生成源项解耦处理的化学非平衡流动计算方法，从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超声速H2／Air 预混合气体中钝体激波诱导的振荡燃烧流场，针对飞行速度大于和接近爆轰速度两种不同流动状态，比较Evans-Schexnayder提出的7组分8反应机理（ES模型），Jachimowski提出的13组分32反应机理（J模型）及其简化为9组分19反应机理（J－1模型）对流场参数的影响，计算表明反应机理引起压力场变化较小，对温度等参数影响较大，对于飞行马赫数低于7的问题，取不包括N原子反应的Jachimowski的9组分19反应机理较合适。     

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。     

轴向入射激波反射聚焦的实验和数值模拟

为研究两级脉冲爆震发动机凹腔入口宽度对第2级凹腔中激波聚焦过程的影响，设计轴向入射激波聚焦的实验系统，对不同入口宽度下激波反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟。采用纹影系统拍摄凹腔中的流场结构，并测量了凹腔顶点处的动态压力。采用保持强稳定性（SSP）的Runge Kutta格式、weighed essential non oscillation（WENO)格式和块结构网格自适应加密（SAMR）算法对激波反射、衍射和聚焦的过程进行了数值模拟，数值模拟结果和实验吻合较好。通过分析比较相同马赫数激波通过不同宽度凹腔的反射聚焦过程，发现较小宽度凹腔入口下激波反射和聚焦较强，顶点的压力峰值较高，激波聚焦诱导的射流较强。      

激波绕射双方块加速诱导爆轰的数值研究

基于二维单步化学反应Euler方程,应用Roe/HLL混合格式以及自适应网格加密(AMR)技术,对方管中弱激波绕射双方块障碍物加速诱导爆轰现象进行了数值研究。计算结果表明,弱激波与双方块相互作用并发生绕射、碰撞可有效加速诱导爆轰,且在管道阻塞比为45%左右时可达到最佳效果,与相关实验结果相符。另外,研究了方块个数及排列方式对激波绕射加速诱导爆轰的影响,得到了最佳方块数量与方块排列方式。     

非平衡流计算方法及其模拟激波诱导振荡燃烧

给出一种数值模拟高超声速化学非平衡流动的计算方法，采用流动项与化学反应生成源项解耦处理，即可以有效地解决非平衡流动计算中遇到的刚性问题，还具有公式推导简单和应用方便的优点。从薄层近似N－S方程出发，采用ENO差分格式，数值模拟了超音速H2／Air预混合气体钝体绕流场，较好分辨出流场中激波诱导振荡燃烧非定常流动现象，表明计算方法具有较高的精度。对计算方法的效率和网格数的影响也进行研究。     

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.     

超燃冲压发动机凹腔稳焰的数值模拟

采用迎风格式数值模拟带凹腔(L/D=4)的超燃冲压发动机燃烧室内的高速可压缩流动,首先采用二阶NND格式对欧拉方程进行冷态数值模拟,以更清楚的捕捉、分析激波的特点;然后采用迎风三阶精度MUSCL格式求解二维N-S方程,湍流模型采用剪切修正的k-ω模型,对喷氢燃烧工况进行数值模拟。结果证明,凹腔可以达到掺混和稳定燃烧的目的,冷态时,总压损失较大,但喷氢燃烧降低了马赫数,减小了激波强度,实际工作状况凹腔不会引起很大的总压损失。     

非结构网格、混合网格下计算方法研究

为了提高计算精度，本文研究了计算格式和网格技术。通过比较非结构网格下的NND格式、MUSCL格式、ENO格式及最小二乘格式的计算精度和波动，选择利用NND方法中的守恒变量法来建立非结构网格下的计算格式，通过改进NND方法中的限制器来提高计算精度和分辨率，计算结果比较显示出该格式具有很高的分辨率和计算精度。本文也研究了非定常网格自适应技术，计算给出了双马赫反射问题的新旧限制器及网格自适应计算结果比较，新限制器网格自适应后计算得到的滑移线出现了剪切涡现象，这表明，数值计算中取足够密的网格和构造高精度格式是非常必要的。     

跨声速粘性流绕振荡翼型的非定常计算

本文采用时间和穴是二阶精度的Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ格式和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模式及ｑ－ω二方程微分模式，结合网格自适应技术，数值模拟Ｎ－Ｓ方程，计算了跨声速下的翼型非定常运动，包括俯仰，浮沉和前后平移振荡。结果表明，压力分布和气动系数与实验基本符合，微分模式和自适应网格能够显著提高激波和边界层计算精度。     

基于自适应网格加密的超声速可燃气热射流起爆详细反应数值模拟

采用块结构自适应网格加密开源程序AMROC,在高性能计算集群中,进行氢气、氧气、氮气详细反应机理的二维超声速热射流爆震起爆自适应网格精细数值模拟,研究在热射流的持续喷射作用下超声速可燃气热射流爆震起爆,以及形成的精细的爆震胞格结构.结果表明:超声速可燃气流中热射流类似气动斜劈,形成局部激波诱导燃烧.超声速可燃气中持续的热射流喷射会形成过驱爆震,并导致不规则爆震胞格的生成.热射流的扰动压缩作用对过驱爆震的形成以及不规则爆震胞格的产起着关键的作用.热射流的扰动压缩波以当地声速通过爆震波后的亚声速区域作用于爆震波,使爆震波处于持续过驱状态,并形成不规则的爆震胞格结构.     

激波诱导燃烧模拟中轴对称边界数值异常研究

对钝体激波诱导燃烧模拟中引起对称轴附近出现数值异常现象的几个影响因素进行了细致讨论.在飞行速度低于爆轰速度情形的模拟中,在一定条件下靠近对称轴的位置会出现明显的数值异常——燃烧阵面扭曲.分别从边界处理方法、计算格式、化学反应机制和计算网格等4个方面对该异常产生的原因进行了详细地讨论.研究表明4个因素都会导致数值异常产生,深入的分析表明计算格式是其中最根本的因素,而这种燃烧阵面扭曲的数值异常应该与粉刺问题(Carbuncle)类似.针对如何克服轴对称边界数值异常提出了一些合理的措施,并给出了验证算例的对比与分析.      

压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（一）：非定常气动响应

 为了加强对叶轮机三维气动弹性机理的理解,为数值模拟方法提供试验验证数据,开展了压气机线性叶栅气动弹性试验研究。本研究分为两部分,本文为第1部分,研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,第2部分重点辨别叶尖间隙对此振荡叶栅气弹稳定性的影响。组建了线性叶栅试验台,其试验段由7个真实可控扩散叶型组成,中间叶片由凸轮机构驱动模拟三维一阶弯曲振动。使用外置压力传感器在6个叶高处测量叶片表面的定常压力分布和3个折合频率下叶片表面非定常压力分布。由管传递函数修正连接管造成的非定常信号失真。运用影响系数法构造协调叶栅任意叶片间相位角下的非定常气动响应结果。试验结果表明：非定常气动响应具有完全的三维特征;折合频率和叶片间相位角对叶栅的气动弹性稳定性具有决定性影响。     

High-order compact finite volume methods on unstructured grids with adaptive mesh refinement for solving inviscid and viscous flows

In the present paper, high-order finite volume schemes on unstructured grids developed in our previous papers are extended to solve three-dimensional inviscid and viscous flows. The high-order variational reconstruction technique in terms of compact stencil is improved to reduce local condition numbers. To further improve the efficiency of computation, the adaptive mesh refinement technique is implemented in the framework of high-order finite volume methods. Mesh refinement and coarsening criteria are chosen to be the indicators for certain flow structures. One important challenge of the adaptive mesh refinement technique on unstructured grids is the dynamic load balancing in parallel computation. To solve this problem, the open-source library p4est based on the forest of octrees is adopted. Several two- and three-dimensional test cases are computed to verify the accuracy and robustness of the proposed numerical schemes.     

NUMERICAL INVESTIGATION OF UNSTEADY DROPLET COMBUSTION PROCESS IN HOT QUIESCENT AIR ENVIRONMENTS (HQAE)

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＦＵＮＳＴＥＡＤＹＤＲＯＰＬＥＴＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮＰＲＯＣＥＳＳＩＮＨＯＴＱＵＩＥＳＣＥＮＴＡＩＲＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＳ（ＨＱＡＥ）ＺｈｕＧｕａｎｇｓｈｅｎｇ，ＬｉｎＪｕｎｙｉ，ＺｈａｎｇＹｕｅｌｉｎ...     

Large eddy simulation of hydrogen/air scramjet combustion using tabulated thermo-chemistry approach

Large eddy simulations(LES) have been performed to investigate the flow and combustion fields in the scramjet of the German Aerospace Center(DLR). Turbulent combustion is modeled by the tabulated thermo-chemistry approach in combination with the presumed probability density function(PDF). A b-function is used to model the distribution of the mixture fraction, while two different PDFs, d-function(Model I) and b-function(Model II), are applied to model the reaction progress. Temperature is obtained by solving filtered energy transport equation and the reaction rate of the progress variable is rescaled by pressure to consider the effects of compressibility. The adaptive mesh refinement(AMR) technique is used to properly capture shock waves,boundary layers, shear layers and flame structures. Statistical results of temperature and velocity predicted by Model II show better accuracy than that predicted by Model I. The results of scatter points and mixture fraction-conditional variables indicate the significant differences between Model I and Model II. It is concluded that second moment information in the presumed PDF of the reaction progress is very important in the simulation of supersonic combustion. It is also found that an unstable flame with extinction and ignition develops in the shear layers of bluff body and a fuelrich partially premixed flame stabilizes in the central recirculation bubble.     

采用详细化学反应机理的火焰面模型模拟煤油两相燃烧流场

基于可实现的 k-ε湍流模型、颗粒随机轨道模型、火焰面模型和航空煤油详细化学反应机理对模型燃烧室内两相燃烧流场进行了数值模拟.其中详细反应机理由替代燃油(80%质量分数的正癸烷,20%质量分数的1,2,4-三甲基苯)的反应机理和NO_x的反应机理组合而成.通过与实验数据的比较,考察采用该详细化学反应机理的火焰面模型模拟RP-3航空煤油燃烧流场的准确性,特别是污染物排放计算的精度.结果表明:稳态火焰面模型模拟的温度场和CO₂生成量与实验数据吻合较好,而预测的NO排放量与实验值偏差较大;非稳态火焰面模型显著提高了NO的预测精度,在工况1(来流马赫数为0.16,进口温度为537K,油气比为0.0048,常压)条件下与实验数据吻合较好,但在工况2 (来流马赫数为0.155,进口温度为523K,油气比为0.010,常压)条件下仍过高估计了NO的排放量.