脉冲爆震发动机外流场数值模拟及实验

通过实验和数值方法,对脉冲爆震发动机(Pulse Detonation Engine,PDE)外流场进行了可视化研究。实验中采用YA-16高速阴影系统,拍摄了爆震外流场的时序阴影照片。对高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆震过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,其中考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理。根据计算结果,由计算光学获得爆震外流场的时序计算阴影图。数值计算结果和实验结果基本一致,均形象地描述了管外流场的变化。根据实验和数值计算结果,详细地讨论了涡环和悬吊激波产生的动力学机理及其发展变化过程。     

燃气自由射流的正格式数值模拟

采用二阶正格式方法对复杂燃气自由射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法发展到轴对称Euler方程组的求解,并对不同欠膨胀压力比下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好捕捉到波胞、滑移线、射流边界以及三波点等复杂射流流场波系结构,与实验照片反映的流动特征及高精度、高分辨率的三阶间断有限元方法的计算结果吻合较好,马赫盘位置与理论预估值和实验测量结果误差较小。证明该方法对激波具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新手段。     

运动激波绕射的数值模拟

用高分辨率的ＴＶＤ格式对复杂的激波反射过程做数值模拟。激波斜壁反射计算结果与实验干涉照片、压力分布、密度分布均符合得很好。通过对运动激波绕射凸起物的数值模拟,得到非定常反射流场发展过程及复杂流场间断的清晰图谱。     

大口径超高速平衡炮膛口流场特性分析

为了研究大口径超高速平衡炮的膛口流场特性,基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术,并采用N-S方程结合Realizable k-ε湍流模型,建立了膛口流场二维轴对称数值仿真模型。以300mm平衡炮为例,研究了1.72km/s,794m/s两种速度下的膛口流场特性。计算结果对比表明:1.72km/s初速的弹丸膛口流场与794m/s初速弹丸膛口流场结构相似,但其射流结构更加明显,流场结构整体略呈"狭长"状,火药燃气速度达到2.5km/s,但不能追赶并包围弹丸,弹丸速度达到Ma=4.03,1.0ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。而常规初速弹丸流场结构呈"圆球"状,火药燃气对弹丸的影响较大,作用时间大于超高速发射情况,速度达到Ma=1.27,1.5ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。     

高速运动弹丸诱导的瞬态流场数值研究

采用基于任意拉格朗日欧拉(ALE)方程的动网格及嵌入网格法,结合二阶精度Roe格式和沉浸边界法,对弹丸由高压气体驱动从静止状态加速至超声速,射出膛口到完全飞离初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果,详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程.      

基于CFD的液压滑阀阀口处流场研究

采用CFD方法对一种锥形阀口滑阀内流场进行了数值仿真计算,分析了在固定条件下其阀口处流场分布情况,并从阀口开度及结构参数等方面对影响阀口处流场分布进行了分析比较.研究结果表明:其阀口处流体流动情况复杂,流场在其轴向及径向分布不均衡,受阀口开度及结构参数等方面的影响;可通过优化阀口结构参数,改变阀口开度来改善阀口处流场分布状况,抑制气穴及旋涡的产生与发展,减小压降及能耗.     

火箭燃气喷流的数值和实验研究

通过数值计算和实验,研究了２１和９火箭发动机燃气喷流流场。数值计算采用激波高分辨率、二阶精度ＴＶＤ格式,得到包括射流边界、桶形激波、反射激波、Ｍａｃｈ盘和滑移线的清晰的流谱。实验测试应用Ｆ－Ｐ激光干涉仪和自动测压系统,得到流场Ｆ－Ｐ干涉照片和压强分布。计算结果与实验结果符合较好     

平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

采用高精度湍流直接数值模拟技术,对平板流动转捩过程中的涡系结构,尤其是Λ涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究.高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信息,以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(RANS)无法给出的精细涡结构信息.数值模拟在精确捕捉Λ涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时,发现了一些与传统认识所不同的现象:1)Λ涡并不是当地涡量集中的地方;2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域.这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战,并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究.     

NNW-TopViz流场可视分析系统

流场可视化技术采用图形图像直观地表现CFD数值模拟的计算结果,使用户能够方便地对这些数据进行分析、比较和研究。然而,CFD数值模拟的流动复杂,其产生的流场数据规模巨大、数据类型复杂、特征提取困难,传统的串行可视化软件效率低、交互手段单一,难以满足数据分析的需求。国家数值风洞（NNW）工程研制了一套流场数据处理可视化软件系统（NNW-TopViz,简称TopViz）,具有对流场数据处理与特征提取、几何图形绘制等可视化与交互功能。根据可视分析效率需求,TopViz实现了线程并行,在多核计算环境下有效提高了可视化计算和交互效率;针对流场特征提取困难、常规方法效率低的问题,TopViz实现了基于卷积神经网络的流场旋涡特征提取方法,提升了特征提取准确率和效率;为提高软件交互效率并提供便捷的交互方式和体验,基于头戴式显示设备和体感控制器构建沉浸式虚拟显示与交互平台,TopViz实现了手势和眼球凝视2种交互方法,提供沉浸式环境下多视图、多角度流场探测方式。     

开放式气动力数值模拟系统研究

气动力数值模拟系统是ＣＦＤ流场解算技术、网格生成技术、数据可视化技术和网络技术相结合的产物。描述了一种运行于计算机网格环境下多任务、多用户、交互式的数值模拟软件环境－ 气动力数值模拟系统,该环境能计算模拟亚、跨、超音速绕流的气动力,也能方便地集成模拟不同复杂气动布局飞机流场的解算程序。介绍了其网格生成、数据可视化、系统接口等核心部分的结构和功能。     

带制退器复杂流场并行算法研究

基于集群系统(CLUSTER),在Linux和MPI并行环境下,研究了带制退器的复杂膛口流场三维数值模拟并行算法。计算网格是三维多区结构化网格,数值格式采用Jameson格式及LU隐式分解方法。针对流场的复杂拓扑结构,建立分区信息文件记录各分区的相关信息,并提出了通过合并相邻网格分区的方法均衡各个进程的负载,提高程序的并行效率。在处理需要通讯的信息时,设计了自定义数据类型和"设置中间参数"相结合的方法,并通过动态分配内存减少了程序对计算机系统资源的占用。数值实验表明,本文设计的算法可以适应拓扑结构较复杂的流场,并能取得理想的并行效率,将有助于制退器性能的研究。     

Development process of muzzle flows including a gun-launched missile

Numerical investigations on the launch process of a gun-launched missile from the muzzle of a cannon to the free-flight stage have been performed in this paper. The dynamic overlapped grids approach are applied to dealing with the problems of a moving gun-launched missile. The high-resolution upwind scheme(AUSMPW+) and the detailed reaction kinetics model are adopted to solve the chemical non-equilibrium Euler equations for dynamic grids. The development process and flow field structure of muzzle flows including a gun-launched missile are discussed in detail.This present numerical study confirms that complicated transient phenomena exist in the shortly launching stages when the gun-launched missile moves from the muzzle of a cannon to the freeflight stage. The propellant gas flows, the initial environmental ambient air flows and the moving missile mutually couple and interact. A complete structure of flow field is formed at the launching stages, including the blast wave, base shock, reflected shock, incident shock, shear layer, primary vortex ring and triple point.     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识，针对某一跨声速单转子轴流压气机，采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟，来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下，转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时，叶尖非定常流动呈单通道周期形式；而轴向进气时，叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象，且随着工作流量的减小，叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

基于双流体模型的超声速两相横向喷射流场研究

对两相超声速横向喷射试验进行了数值模拟.采用双流体两相流模型,在不同直径液滴和不同动压比条件下分别对两相超声速横向喷射流场进行了计算.结果表明:雾化液滴直径和喷射动压比对液体的横向穿透深度影响很大;雾化液滴直径的大小或者动压比的大小对喷口下游流场的影响区域是不同的.数值模拟结果与试验结果符合良好,为进一步的研究打下良好基础.      

气-气冷流掺混流场缩尺技术

 为研究气-气冷流掺混流场缩尺技术,对多组分气相掺混流动三维Navier-Stokes无量纲方程及其定解条件进行了相似性分析,并将量纲分析方法应用到气-气掺混流动现象中,获得了气-气掺混流场相似准则,该相似准则表明冷流掺混试验件尺寸和试验背压都可以变化;运用该准则,在不同背压工况下进行了3个不同尺寸试验件的单喷嘴气-气喷注器掺混流场的仿真分析和比较,结果表明不同试验件尺寸和不同压力工况下气-气掺混流场具有相似性。研究结果能够指导气-气冷流试验,并为气-气燃烧流场缩尺技术研究提供参考。     

克努森数在微尺度相似流动特性研究中的作用

为了研究克努森数对微尺度相似流动的影响,选取孔径分别为3,1,0.5,0.3mm的相似小孔模型并视流体为连续介质,在相同的雷诺数下对各尺度小孔流体克努森数不同和相同的情况进行数值模拟,计算小孔的质量流量系数并分析其内部流场特征.结果表明:在相同的雷诺数下,原件与放大件的内部流场在克努森数相同时表现出更好的相似性,小孔质量流量系数也表现出更好的吻合性,因此在采用相似放大模型研究微小尺度结构的流动特性时,为了得到更为准确的结果,必须保证相似放大件和微尺度原件克努森数相同.      

马赫数连续可变跨声速湿蒸汽风洞的研制

用于跨声速气动测量的探针须从亚声速到超声速范围进行标定。变质量槽式喷管通过扩张段壁面上槽缝流出部分气流的自适应特性可在不同背压下得到不同出口马赫数,从而使标定气动探针的风洞实现马赫数从0到超声速的连续变化。为了研究采用湿蒸汽为工质的变质量槽式喷管的性能及优化其结构,采用三维犖-犛方程以及可实现犽-ε湍流模型对其进行了详细的数值仿真。结果表明收缩段型线、扩张段长度及壁槽尺寸等对喷管流场特性有重要影响,喷管进出口压比在一定范围内,槽式喷管有最优的收缩段型线、扩张段长度和开槽尺寸。根据数值仿真结果研制了马赫数从0到1．6连续可变的跨声速湿蒸汽风洞,对此风洞性能进行验证,表明该风洞在马赫数从零到超声速范围内可获得均匀、稳定的出口气流,满足跨声速湿蒸汽气动探针的标定要求。     

喷流-外流干扰流场数值模拟

 研究了一种适用于推力矢量的内外流干扰复杂流场的数值模拟方法。主要讨论了能灵活处理复杂外形的重叠-搭接网格技术;适于低速大迎角流动及重叠 搭接网格技术的湍流模型以及是否考虑内流的喷流边界条件的定义。在数值模拟方法研究基础上对矢量推力飞机喷流-外流干扰流场进行了分析研究。包括计及喷管内流的内外流干扰流场数值模拟;给定喷管出口边界条件的喷流-外流干扰流场数值模拟;复杂外形引入喷流边界的数值模拟。以上计算反映了喷流对不同外流情况时的流扬的影响和气动力的影响。数值模拟说明,采用重叠-搭接混合网格处理复杂外形,使用恰当的湍流模型可以较好地模拟喷流-外流的干扰流场。     

风向对直升机旋翼与甲板流场结构影响

为了了解直升机旋翼流场与甲板流场的相互作用,采用数值模拟方法对船体与旋翼的复合流场进行求解.分析了不同风向时旋翼流场的流线形态、涡量分布与旋翼平衡性.详细阐述了复合流场中主要旋涡结构的产生及演变过程,并对旋涡结构进行分类.研究结果表明:旋翼流场与甲板流场间存在相互干扰,形成复杂的复合流场.0°风向时,旋翼的存在使得其后方甲板区域的涡流范围与气流下洗趋势增加明显;侧风会增大甲板区域涡流范围,加剧旋翼桨叶不平衡性;右舷15°风向时,旋翼升力能力与旋翼桨叶平衡性最差,该风向不利于直升机的甲板悬停.      

受限空间内三级旋流流场和燃烧性能研究

为研究受限空间内三级旋流器流场特征和对应的燃烧性能,对不同方案三级旋流器开展了试验和仿真研究,分析了2种典型流场（贴壁流场和锥形流场）特性及其对火焰形态、燃烧室性能指标的影响。结果表明,通过控制三级孔特征可实现三级旋流器下游贴壁流场和锥形流场之间的转变。三级孔为30°时,旋流器的高湍动能有利于强化燃油雾化,同时形成贴壁的大尺寸回流区有利于燃油在主燃区的空间扩散和均匀分布,能够改善燃烧室点熄火性能,但会导致主燃区火焰筒壁温较高。