固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

二维参与性介质辐射换热的球谐有限元法

采用球谐函数与有限元相结合的方法(即球谐有限元法),对二维介质内辐射换热问题进行研究。以规则和非规则形状几何体辐射问题为例,使用球谐有限元法可得到较准确的计算结果,且与其它数值计算方法(如球谐有限差分法、离散坐标有限元法等)相比具有以下优势:球谐有限元法方法简单,计算速度快,适用于大型工程应用;球谐有限元法可用于计算各种形状的几何体,计算应用范围广。     

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法（DVM）是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压 N-S 方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明：引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。     

一种韧性断裂准则中材料常数的计算模型及其应用

为确定符合板材变形规律的韧性断裂准则中的材料常数,基于传统M-K模型框架并进行修正,结合单向拉伸和平面应变试验数据,提出一种新的韧性断裂准则材料常数计算模型。利用MATLAB软件编写该计算模型的算法程序,得到应用于铝镁合金5A06-O板材的不同韧性断裂准则材料常数。同时将CL韧性断裂准则嵌入Abaqus/Explicit显示模块的用户材料子程序VUMAT。在200℃的条件下,对铝镁合金5A06-O板材在热介质胀形和充液热拉深中的断裂行为进行数值模拟,并与相同工艺参数下的试验所得结果作对比。结果表明,热介质胀形高度误差为6.2%,充液热拉深深度误差为8.5%,验证了韧性断裂准则材料常数计算模型的正确性,表明了CL韧性断裂准则在板材充液热成形中的适用性。     

卫星解体碎片生成数值模拟

提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。     

数值分析二级涡流器环形燃烧室的燃烧性能

采用多维经验分析法在任意曲线坐标系下对包括二级突扩扩压器、双级轴向涡流器及火焰筒在内的单头部环形燃烧室的燃烧性能进行计算.并对RNGk-ε紊流模型加以改进, 使其更适用于数值模拟非交错贴体坐标系下的三维两相化学反应流.采用EBU-Arrhenius紊流燃烧模型、六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型对油雾燃烧进行模拟.同时, 数值分析了不同涡流器几何尺寸对燃烧室整体流场和燃烧性能的影响, 数值计算结果与实验数据相当一致, 表明计算方法合理, 计算程序可靠, 可用来估算环形燃烧室的燃烧性能.      

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

一种用于纳米颗粒场致发射推力器的自中和技术

纳米颗粒场致发射推力器(NFET)是一种用于微小卫星的固体工质静电推力器,为促进NFET的工程研制,提出一种新的自中和技术——反向充电中和策略。为研究这种自中和技术的设计方法,建立相应的数值模型以模拟该中和技术下羽流输运过程,并且,在真空舱中开展NFET的羽流测量试验来验证中和模型的正确性。以比色温度计和"打靶法"装置来分别测量羽流温度分布和推力,通过试验与仿真结果的对比,羽流温度变化的试验结果与仿真结果在定性规律上一致,推力的计算误差在9%～10%。在验证模型正确性的基础上,利用该数值模型对关键设计参数进行数值分析。结果表明:引出极与发射极的内径比变化会导致外加电场对剩余电荷颗粒作负功,引起推力下降,该物理参数在0.94附近时,推力达到极大值;而随着颗粒直径的增加,羽流中和区域整体向下游推移,推力升高。本文结论可为NFET的反向充电中和策略提供设计参考。     

TC4钛合金试样渐进破坏试验与数值研究

以商业有限元分析软件ABAQUS为平台,基于GTN金属断裂模型对TC4钛合金光滑圆形试样和两种不同缺口形状试样在单向拉伸试验中的渐进破坏过程进行数值研究,同时对比分析了几何非线性的影响在数值计算中的差异。结果表明,该模型预测TC4钛合金试样单向拉伸试验的载荷-位移曲线及宏观断裂形貌与真实试验结果基本一致。     

回流燃烧室燃烧过程的三维数值模拟

在三维任意曲线坐标系下数值模拟回流燃烧室火焰筒内两相燃烧过程,采用RNG k-ε模型模拟紊流粘性,EBU-Arrhenius模型模拟燃烧反应速率、离散坐标模型以及六通量模型考虑辐射传热,液相采用颗粒轨道模型,气相采用SIMPLE算法求解,并用PSIC算法考虑气液两相之间的相互作用的影响,计算得到燃烧室内速度、温度等各气流参数分布.通过将计算与实验结果对比表明,计算方法可靠,离散坐标模型优于六通量辐射模型,更适用于模拟火焰筒内两相燃烧流场.      

SPH方法对气液两相流自由界面运动的追踪模拟

气液两相流动是自然界中常见的流动现象,对其进行数值模拟时要求必须能够准确跟踪界面运动变形。本文利用光滑粒子流体动力学方法,结合微可压缩模型(SCM),引入界面控制方法XSPH速度修正以及Van Derwaals状态方程修正,对典型的气液两相流动如二维溃坝、气泡上浮等问题进行了数值模拟,分析了空气和水相互作用机理以及界面运动规律,并同实验结果和其他数值计算结果进行了比较。结果表明,该方法在模拟多相介质界面运动问题准确有效,可用于处理更为复杂的多相流动工程问题。     

A high-order SPH method by introducing inverse kernels

The smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is usually expected to be an effi-cient numerical tool for calculating the fluid-structure interactions in compressors; however, an endogenetic restriction is the problem of low-order consistency. A high-order SPH method by intro-ducing inverse kernels, which is quite easy to be implemented but efficient, is proposed for solving this restriction. The basic inverse method and the special treatment near boundary are introduced with also the discussion of the combination of the Least-Square (LS) and Moving-Least-Square (MLS) methods. Then detailed analysis in spectral space is presented for people to better under-stand this method. Finally we show three test examples to verify the method behavior.     

物理质团法关于可压流计算的程序验证

为了评估无网格物理质团法(PECM)对可压流计算的可信性,结合物理认识对该方法的设计思想和数值格式进行了先验分析,基于9个一维模型数值解与参照解的对比信息,通过后验分析方法对PECM进行了程序验证,参照解包括无网格再生核粒子法(RKPM)的数值解以及精确解。验证结果表明:各种物理参数以及状态方程的强烈间断会导致RKPM严重的失稳或失真,而PECM在包括极大密度比在内的各种强间断条件下仍保持稳定和收敛并具有较高的准确度。      

用SPH和有限元方法研究鸟撞飞机风挡问题

鸟与飞行中的飞机相撞是飞机结构损坏的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。对高速低空飞行的军用飞机而言,风挡部分抗鸟撞的研究对保证飞行安全尤其重要。基于飞机圆弧风挡受鸟体撞击的实验观察,建立了国产某型军用飞机圆弧风挡及鸟体的计算模型,采用LS-DYNA3D中有限元和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的数值分析方法,对某飞机圆弧风挡受鸟体撞击的过程进行了数值模拟。计算结果得到了风挡结构的变形、位移和应变等几方面的数据,与实验结果基本吻合。同时,给出了500～650km/h速度范围内的撞击力和应力时程曲线、风挡发生破坏的临界撞速、圆弧风挡经受鸟体撞击时发生破坏的可能位置及其破坏方式。最后,与鸟体采用任意拉格朗日(ALE)和无网格伽辽金方法(EFG)进行了对比,验证了SPH方法在分析鸟撞问题中的优越性。研究结果为风挡的安全设计和研制新机型提供了有价值的数据。     

鸟撞飞机风挡动态响应数值模拟方法研究现状

总结了目前用于鸟撞飞机风挡动态响应的数值模拟方法,主要有解耦解法、耦合解法和光滑质点动力学法,其中耦合解法涉及接触-碰撞耦合解法和流固耦合解法。各种方法围绕鸟体（鸟撞载荷）的模拟和风挡的模拟,部分内容针对鸟撞击发动机叶片、雷达罩和垂直尾翼等,但其方法同样适用于飞机风挡,最后指出应进一步深入研究的内容。     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

Magnetospheric Models and Trajectory Computations

The calculation of particle trajectories in the Earth's magnetic field has been a subject of interest since the time of Störmer. The fundamental problem is that the trajectory-tracing process involves using mathematical equations that have `no solution in closed form'. This difficulty has forced researchers to use the `brute force' technique of numerical integration of many individual trajectories to ascertain the behavior of trajectory families or groups. As the power of computers has improved over the decades, the numerical integration procedure has grown more tractable and while the problem is still formidable, thousands of trajectories can be computed without the expenditure of excessive resources. As particle trajectories are computed and the characteristics analyzed we can determine the cutoff rigidity of a specific location and viewing direction and direction and deduce the direction in space of various cosmic ray anisotropies. Unfortunately, cutoff rigidities are not simple parameters due to the chaotic behavior of the cosmic-ray trajectories in the cosmic ray penumbral region. As the computational problem becomes more manageable, there is still the issue of the accuracy of the magnetic field models. Over the decades, magnetic field models of increasing complexity have been developed and utilized. The accuracy of trajectory calculations employing contemporary magnetic field models is sufficient that cosmic ray experiments can be designed on the basis of trajectory calculations. However, the Earth's magnetosphere is dynamic and the most widely used magnetospheric models currently available are static. This means that the greatest uncertainly in the application of charged particle trajectories occurs at low energies.     

Fragment Identification and Statistics Method of Hypervelocity Impact SPH Simulation

A comprehensive treatment to the fragment identification and statistics for the smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation of hypervelocity impact is presented. Based on SPH method, combined with finite element method (FEM), the computation is performed. The fragments are identified by a new pre- and post-processing algorithm and then converted into a binary graph. The number of fragments and the attached SPH particles are determined by counting the quantity of connected domains on the binary graph. The size, velocity vector and mass of each fragment are calculated by the particles’ summation and weighted average. The dependence of this method on finite element edge length and simulation terminal time is discussed. An example of tungsten rods impacting steel plates is given for calibration. The computation results match experiments well and demonstrate the effectiveness of this method.     

基于自适应粒子滤波的涡扇发动机故障诊断

针对涡扇发动机非线性、非高斯的特点,提出了一种自适应的粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件突变故障的诊断.为了减小算法的计算量并且保证滤波精度,分析了滤波精度和样本数目的关系,提出根据滤波过程中状态的方差自适应地调整粒子数,在保证一定的滤波精度下可以有效地减少滤波过程中使用的粒子数,提高了算法的实时性.同时,引入扩展卡尔曼滤波(EKF)用于更新粒子,产生重要概率密度函数,在一定程度上避免了粒子的退化.通过某型涡扇发动机的仿真分析表明:改进的算法相比标准粒子滤波算法用于涡扇发动机气路部件故障诊断时,参数估计的方均根误差减小了50%左右,且算法的计算量减小了30%.     

对LVDSMC方法的改进(英文)

最近,Homolle和Hadjiconstantinu提出了新的粒子模拟方法———LVDSMC方法[1],该方法采用了减少方差的思想从而提高了低速流动问题中的计算效率。本文针对LVDSMC方法提出两点改进:第一,除了方法中原来已采用的偏差粒子,在计算近自由分子流问题时建议额外地采用一些辅助粒子,从而可以约束计算过程中原始算法在生成偏差粒子时计算误差的累积效应;第二,提出一个可选的用于计算潜在Maxwell Boltzmann分布函数中的速度参数的增量,从而使得表面的应力及热流的计算变得简单。