壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

激波结构内流动问题的气体运动论描述

从介观Boltzmann速度分布函数理论出发,发展计及分子粘性碰撞截面与扩散碰撞截面,可描述各流域一维气体流动问题的Boltzmann简化速度分布函数方程及其气体运动论数值计算方法。通过对不同Knudsen数下非定常激波管流动及不同马赫数定常正激波结构问题数值模拟,研究分析不同流区的激波突跃变化过程以及近连续流、稀薄过渡流特有的分子输运现象,揭示不同马赫数、不同分子模型的激波内流动与传热变化规律,证实基于Bo-ltzmann模型方程的气体运动论数值计算方法用于激波结构内流动研究的准确可靠性。     

用于爆震引燃的激波聚焦无反应流场数值模拟

通过对用于脉冲爆震引燃的内楔表面激波聚焦冷态流场的数值模拟，分析了不同角度内楔表面在激波聚焦时流场结构的不同特点。数值计算的结果表明：对于大内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生规则反射，温度的大幅度升高发生在激波于内楔顶点反射之后；对于小内楔角的情况，激波进入内楔角之后产生马赫反射，温度的升高在入射激波到达内楔顶点之前就已经发生，而在入射激波于内楔顶点反射之后得到进一步的提升。同时，还对不同角度内楔的反射激波后气流温度进行了比较。     

基于人工黏性的二维激波小波多尺度数值计算

基于自适应小波配点法和人工黏性，构造了二维激波问题的小波数值计算格式。利用最细尺度的小波系数构造两组激波定位函数，分别用以控制两个正交方向人工黏性的大小和分布。对三类二维激波问题进行计算和验证，结果表明：自适应小波配点法利用小波阈值滤波删除变化平缓区域大量网格点，而保留变化急剧区域的网格点，比传统方法计算效率高，且分辨率越高，计算效率更高；利用最细层小波系数构建的幂函数形式的激波定位函数能准确判断激波位置和控制X、Y方向人工黏性的大小和分布，从而捕捉不同方向和不同强度的激波。     

隔离段内超声速流动摩擦阻力分析

以超燃冲压发动机等截面隔离段内部流动阻力特性为研究背景,以数值模拟和实验测量为研究手段,研究马赫数2.5来流条件下,平板流动和带激波反射流动条件下的壁面摩擦阻力.实验测量得到了超声速流动下的壁面摩擦阻力.研究发现,当激波反射形成局部微小分离时,激波和边界层的相互作用使得分离区下游的壁面剪切应力恢复为比分离区上游稍高水平.存在激波反射时,壁面总的摩擦阻力略大于无激波时的平板流动.     

六类高超声速激波-激波干扰的数值模拟研究

基于粘性全N-S方程，利用有限体积法进行数值离散，对Ⅰ到Ⅵ六种类型的激波一激波干扰现象进行了数值模拟，其中采用了二阶Harten-TVD格式，LU隐式算法以及Baldwin-Lomax代数湍流模型。每种类型都得到了清晰的干扰流场结构，其中Ⅳ型干扰的模拟结果与实验结果进行了比较，符合较好。数值模拟结果的对比指出，由入射位置差异引起的不同类型激波-激波干扰结构有很大不同，对壁面压强分布的影响也存在较大差异。     

激波运动与反射流场的ENO算法

在ＴＶＤ格式的基础上，以修正限制函数的方法，将通常的ＴＶＤ格式改造为性能更为优越的ＥＮＯ格式，并利用这种有限差分格式求解欧拉方程和薄层Ｎ－Ｓ方程。分别数值模拟了激波管中运动激波与三种楔形物体相互作用流场；给出了激波在不同物体上的反射及波涡干扰过程中非定常流场的变化情况；算出的波系结构在与ＣＡＲＤＣ小型激波管中做的相关实验结果一致。     

超声速横向射流三维流场结构特征

为了研究超声速燃烧室内燃料与空气快速掺混过程的流场特性，基于可压缩Navier-Stokes方程，采用大涡模拟方法和高精度WENO-TCD混合格式对来流马赫数为2.68，喷压比为36的超声速横向射流流场结构进行数值研究。数值结果清晰描述了超声速主流与横向射流相互作用过程的流场结构特征，得到了三维激波形态的演变规律以及它们在强化混合过程中的作用。另外，因桶形激波背风面低压区处的斜压效应，射流气体在桶形激波背风面形成一对螺旋向上的反向涡对，反向涡对的卷吸作用诱导进入壁面边界层的主流向上运动，形成冲击射流。冲击射流以v=557m/s的法向速度向上冲击桶形激波背风面，因而在桶形激波背风面留下类三角锥面凹痕。     

径向入射激波聚焦实验和数值模拟研究

为得到不同入射激波马赫数对凹腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对马赫数为1.25和2.18的径向入射激波在实验段内反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟研究。用高速CCD拍摄了凹腔中气流流场的纹影图片,并采用保持强稳定性的龙格—库塔格式、加权基本无振荡算法和块结构动态自适应网格加密对激波反射聚焦的过程进行了数值模拟,实验和数值模拟结果吻合较好。复杂的激波形状及其之间的相互作用(如激波反射,激波聚焦和不同激波的相互作用)在实验和数值模拟中都能很好地观测到。通过比较不同马赫数入射激波的反射聚焦过程,发现较高的马赫数下聚焦后能产生射流,而较低的马赫数下却没有。同时发现,入射激波马赫数能影响二次激波出现的位置和强度,进而影响聚焦过程流场的紊乱程度。     

一种求解Euler方程的简化气体动理学模型

基于一种简化的平衡分布函数,提出一种新的动理学通量矢量分裂（KineticFluxVectorSplitting,KFVS）格式来求解Euler方程。算例证实,新的KFVS格式继承了原始KFVS格式中捕捉激波准确、无数值震荡的优点。与原始的KFVS格式相比,由于简化的平衡分布函数与Maxwellian平衡分布函数相比复杂程度大大降低,计算中不需要再计算误差函数,新的KFVS格式的计算效率得到了很大提高。在同样的计算精度下,新KFVS格式比原始KFVS格式计算效率提高了一倍以上,显示了新格式具有良好的数值模拟性能。     

减小翼型激波阻力的鼓包流动控制技术

针对2020年使用的N+2代民用飞机的翼身融合(BWB)布局发展需要,以减小激波阻力为目标,采用计算流体力学(CFD)方法,开展弱化激波、减小激波阻力的鼓包流动控制技术研究.提出了λ形激波结构“强干扰”和等熵压缩“弱干扰”两种鼓包激波减阻流动控制原理,给出了两种鼓包基本形状设计方法和工程应用的可行性分析,指出λ形激波结...     

关于建立高阶差分格式的问题

为了能在不太密的网格上捕捉到流场的细致结构。通常采用高阶精度的差分 式进行数值模拟。为能抑制计算中和在激波附近产生的虚假波动,本文从物理构思出发,提出了建立高阶格式的两个基本原则,作者称之为抑制波动的原则和稳定性原则。     

基于离散等价方程的非结构网格有限差分法

激波装配法把解析关系式嵌入流场避免了间断引起的理论问题，使全场一致高精度的实现成为可能，有望解决超声速流动转捩研究中的感受性模拟难题。但装配复杂激波结构以后，被分割的流场空间常出现不规则的几何形状，这给常规的基于结构网格的有限差分法应用带来困难。基于离散等价方程理论，提出了一种新的基于非结构网格的有限差分法，在空间二维离散点附近仅用3条网格线就可以构造出一阶迎风格式。数值算例表明收敛过程对网格质量不敏感，解决了激波装配法模拟激波相交出现小夹角后使用结构网格进行计算存在的难题。根据这种方法的特点展望了未来的应用前景。     

旋转冲压压缩转子二维进气流道数值研究

借鉴二维超声速进气道的设计方法,设计了一种旋转冲压压缩转子的二维进气流道,并采用二维雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型对其流场进行了数值仿真,研究了转速、背压对二维进气流道中波系结构、内部流动特性和性能的影响.计算结果表明:所提出的旋转冲压压缩转子二维进气流道设计方法是可行的;二维进气流道中产生的激波系与二维超声速进气道中产生的激波系相类似,所不同的是二维进气流道中产生的激波为弯曲激波,而二维超声速进气道中产生的激波为平直激波;转速和背压对二维进气流道的性能有较大影响.      

高超声速气动力及激波位置快速计算方法研究

采用快速计算方法进行高超声速气动力计算时,影响计算精度的关键问题主要在于模型面网格的划分和计算方法的选取。采用一种灵活实用的结构化面网格划分策略,使得模型的各个部件能分别选择合适的计算方法;发展一种基于近似流线的二阶激波膨胀波方法,该方法可以用于多种具有三维流场特性的部件,不仅降低对使用者的经验依赖,还能提高计算精度;配合激波位置计算方法,可以较为准确地计算模型的激波位置,保证边界层外缘参数的计算精度;粘性力计算使用基于起始面元修正的Spalding-Chi方法和参考温度方法。通过对四个典型算例的计算与分析,表明本文发展的高超声速气动力计算方法具有较高的计算精度,能够作为高超声速飞行器初步设计阶段的气动力快速分析工具。     

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

Reflected shock/turbulent boundary layer interaction structure analysis based on large eddy simulation

In order to understand the physical phenomenon of the reflected shock/turbulent boundary layer interaction, the Large Eddy Simulation (LES) is conducted to investigate shock wave and turbulent boundary layer interaction in a $12°$ compression ramp with inlet high Mach number of 2.9. Rescaling/recycling method is used as inflow turbulence generation technique and validated on a supersonic flat plate turbulent boundary layer. The flow field of recycling plane in the plate computation domain is obtained to give the inlet boundary condition for the LES computation. This paper focuses on the reflected shock/turbulent boundary layer interaction region, where the fine flow structure and instantaneous flow field are analyzed in detail. It is found that the unsteady motion of the shock wave leads to the increase of wall pressure fluctuation.     

Review of shock wave detection method in CFD post-processing

In the present computational fluid dynamics (CFD) community, post-processing is regarded as a procedure to view parameter distribution, detect characteristic structure and reveal physical mechanism of fluid flow based on computational or experimental results. Field plots by contours, iso-surfaces, streamlines, vectors and others are traditional post-processing techniques. While the shock wave, as one important and critical flow structure in many aerodynamic problems, can hardly be detected or distinguished in a direct way using these traditional methods, due to possible confusions with other similar discontinuous flow structures like slip line, contact discontinuity, etc. Therefore, method for automatic detection of shock wave in post-processing is of great importance for both academic research and engineering applications. In this paper, the current status of methodologies developed for shock wave detection and implementations in post-processing platform are reviewed, as well as discussions on advantages and limitations of the existing methods and proposals for further studies of shock wave detection method. We also develop an advanced post-processing software, with improved shock detection.     

考虑动叶顶部间隙影响的跨音涡轮级的数值模拟

本文给出了一种基于区域分解算法的可考虑动叶顶部间隙和机匣刮削作用的涡轮级计算方法。并对NASA实验涡轮级进行了计算, 计算结果和实验结果吻合得很好。通过分析, 可以发现动叶顶部间隙流动将引起动叶顶部气流的欠偏转, 从而降低顶部的做功能力, 并且这一影响区域会达到一个相当大的范围。在动叶叶片顶部尾缘存在激波的情况下, 尾缘激波和顶部泄漏流动相互作用使激波结构变得十分复杂和无序, 这种无序的结构必然带来较大的损失。