基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

细长旋成体背风面非对称流场的DES模拟

利用脱体涡模拟DES方法对细长旋成体非对称绕流进行数值模拟,比较了基于S-A湍流模型的DES与RANS方法对背风面非对称分离涡的数值模拟能力,发现在大迎角非对称涡未破裂情况下,DES与RANS均能模拟出与实验相符的非对称绕流;当迎角增大,背风面非对称涡发生破裂时,RANS无法准确捕捉到背风面流场的非定常性,而DES能准确预测非对称涡的飘起与破裂,并与实验值接近。计算结果表明:与RANS方法相比,DES方法具有更好的模拟大攻角,大分离流动的能力,尤其在非对称流场的分离涡破裂模拟方面具有明显优势,能够更真实模拟出细长旋成体背风面分离涡破裂之后的非定常流动特征。     

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

基于分离涡模拟的起落架气动噪声研究

用基于SA湍流模式的非定常RANS、分离涡模拟(DES)和延迟分离涡模拟(DDES)分别对四轮基本起落架模型进行了数值模拟,并根据所得的非定常流场计算了表面声压级分布和声压谱。三种方法所用的时间成本大致相同,URANS略低于其它两种,而DDES由于在附着流动区更好地保持RANS特性,故时间成本略低于DES。计算显示,非定常RANS在附着流动区能够得到合理的结果,但不能准确刻画分离流动的流动形态。DES和DDES都能较好地刻画起落架绕流的定常和非定常特性,DDES的结果略好于DES。因为起落架流动属于大分离流动,所以DES也能够得到相对正确的结果。研究结果验证了分离涡模拟在起落架大分离非定常流动预测与噪声预测中的可行性,对减小起落架噪声的方法研究具有一定的意义。     

压气机叶栅角区分离中速度PDF双峰现象的DES数值模拟

为了研究在实验中发现的角区分离区域内速度概率密度分布(PDF)双峰现象并探索其机理,利用脱体涡模拟(DES)对压气机叶栅中角区分离流动进行数值模拟,成功模拟出双峰现象,并讨论了双峰现象的可能机理。DES模拟结果中,双峰点位置以及内外峰随双峰点位置变化而此消彼长的发展趋势与实验结果一致。对来流攻角脉动特性的分析表明,角区分离中双峰现象与叶栅前缘附近非定常来流和角区内分离流动的相互作用有关。     

模拟厚度翼型非定常运动的涡方法

本文研究二维厚度翼型的大攻角非定常运动。用沿翼型表面分布的源和面涡来模拟翼型的厚度效应和升力效应,应用离散涡方法模拟前缘分离涡层和尾涡层。计算了大攻角翼型作俯仰运动的情形,与实验结果符合较好。     

轴流压气机静子角区分离流动的DDES数值研究

为进一步加深对压气机静子角区分离流动非定常性和湍流特性的认识,以某台用于低速模拟的多级低速轴流压气机的第3级改型静子为研究对象,采用延迟脱落涡模拟(DDES)方法进行详细的数值研究。结果表明:压气机静子角区分离流动受到叶片几何参数和来流条件的综合影响;通道涡是引起静子角区分离的主要涡系结构,其发展过程伴随着大小尺度发簪涡的交替出现;通道涡、发簪涡和尾迹脱落涡的相互作用是引起静子角区分离流动非定常性的主要来源;静子角区存在高度各向异性和能量反传的湍流特征;角区分离区的频率幅值强于主流区,振幅较大的区域位于500 Hz以下的低频区。      

三角翼跨声速动态失速与涡破裂特性研究

通过数值方法研究了高速气流中细长三角翼作匀速上仰机动飞行时的背风面分离流与涡破裂特性和气动力特性。结果表明,在三角翼匀速上仰非定常绕流中,涡破裂起始攻角与上仰速度关系比较复杂,在本计算速度范围内,涡破裂起始攻角变化很小;动态时涡破裂点发展速度随攻角变化规律与静态结果差别甚大;三角翼大攻角非定常绕流前缘涡涡轴附近的流动以不稳定涡和涡破裂为主要特征;在一定的上仰速度以后即使在中等攻角前非定常升力与定常升力仍有较大差别,与低速情况有所不同;上仰运动使涡破裂点发展速度被延缓,从而提高了失速攻角和最大升力,并使失速攻角与涡破裂起始攻角的间隔进一步拉大,同时不改变升阻比     

弹丸旋转空气动力效应非定常数值模拟

准确计算马格努斯力和力矩对旋转弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都至关重要。采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对高速旋转的SOCBT弹丸进行了数值模拟,纵向气动特性在整个攻角范围内都较好地与试验值保持一致,而侧向气动特性马格努斯力和力矩在小攻角范围与试验数据吻合较好,在大攻角范围却存在一定的差异。采用延迟分离涡模拟(DDES)方法的计算结果有较为明显的改善,对比研究表明分离点位置对马格努斯效应有着显著影响。表明DDES方法对于提高旋转弹箭马格努斯效应的数值模拟精度有较大的潜力。     

钝头战术导弹大攻角流动特性数值模拟

对具有钝头和小展径比外形特点的战术导弹进行了大攻角流动数值模拟与分析.着重分析了大攻角下弹体轴向各横截面上的压力分布、导弹背部和弹翼表面的气流分离形态及其随攻角的变化.通过模拟发现了钝头弹大攻角分离的一些重要特点,例如,与常见的尖锥体导弹背部的非对称分离涡不同,钝头导弹背部的分离涡是对称的;在弹翼以前不存在纵向分离,只有横向分离;分离区随着攻角的增加而扩大,但分离区起点的位置却基本上不变等.这些结果为这类导弹的设计提供了重要依据.     

绕跨声速三角翼的激波/涡干扰流场数值模拟

 在绕三角翼的跨声速流动中,随着迎角的增加,三角翼上的涡破裂位置会出现突然前移的现象。针对这一与亚声速下不同的流动现象,采用带曲率修正的Spalart-Allmaras(SAR)湍流模型,求解定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,对不同迎角下绕65°后掠尖前缘三角翼的跨声速流动进行数值模拟,并在此基础上,采用基于SAR湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对由激波干扰导致的前缘涡破裂位置的运动规律进行了初步探讨。模拟结果与试验结果对比表明:SAR湍流模型能准确地模拟出三角翼上的激波系统和旋涡结构,并能准确模拟出由于激波干扰导致的涡破裂位置突然前移的现象。此外,对涡破裂后流场的非定常数值研究发现,支架前端正激波的干扰作用使得涡破裂位置向下游移动比较突然,而向上游移动则相对缓慢。     

基于自适应混合网格的脱体涡模拟

基于混合网格和CGNS（CFD General Notation System）数据结构,建立了一种各向同性加密/稀疏的网格自适应方法。在悬空点的后处理中,让含有悬空点的单元转化为任意多面体,从而简化了自适应单元剖分模版,同时自适应网格单元之间可完全相容,自适应生成的网格能够直接用于可处理任意多面体的流场求解器。将该自适应方法与脱体涡模拟（DES）算法相结合,开展了65°后掠三角翼大迎角流动的数值模拟应用,并与初始网格的模拟结果进行了详细比较。对比表明：采用网格自适应方法适当增加局部网格量,能够以较小的成本迅速提高三角翼背风区的空间分辨率,增强数值模拟对小尺度涡系结构的解析能力,从而弥补了基于混合网格的脱体涡模拟中常用二阶格式计算的空间分辨率相对偏低、不利于湍流多尺度结构精细模拟的不足。     

三角翼大迎角风洞试验支架干扰数值模拟研究

现代战争要求战斗机能够在大迎角（AOA）状态下进行过失速飞行,对飞机大迎角绕流流场的研究主要的方法有风洞试验和数值模拟。在大迎角风洞试验中,常用的是尾支撑方法,支架的存在会对模型的试验结果产生一定的影响,本文通过数值模拟来对这个影响进行研究。以开源计算流体力学软件OpenFOAM 2.3为平台,采用PIMPLE算法求解Navier-Stokes（N-S）方程,PIMPLE算法是SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-linked Equations）算法和PISO（Pressure Implicit with Splitting of Operator）算法的结合体;采用基于有限体积的空间离散方法和空间二阶精度的线性插值方法,时间离散采用后向差分方法,湍流模型采用SA-DDES（Spalart-Allmaras-Delayed Detached Eddy Simulation）模型。为了验证方法的可靠性,首先对0°、10°、30°、50°、70°以及90°迎角下的有支架三角翼绕流流场进行计算,并将计算结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上,数值模拟了无支架的三角翼绕流流场,对比有/无支架情况下数值模拟结果,得到支架对三角翼绕流流场、背风面压强分布和气动力的影响。计算结果表明：大迎角情况下,有支架与无支架时相比,支架的存在会影响三角翼附近的流场（但是不会改变涡系等流动结构）、改变翼表面压强分布,从而导致三角翼的法向力系数和俯仰力矩系数发生明显变化。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

Numerical investigation of unsteady vortex breakdown past 80°/65° double-delta wing

An improved delayed detached eddy simulation （IDDES） method based on the k-x-SST （shear stress transport） turbulence model was applied to predict the unsteady vortex breakdown past an 80o/65o double-delta wing （DDW）, where the angles of attack （AOAs） range from 30° to 40°. Firstly, the IDDES model and the relative numerical methods were validated by simulating the massively separated flow around an NACA0021 straight wing at the AOA of 60°. The fluctuation properties of the lift and pressure coefficients were analyzed and compared with the available measurements. For the DDW case, the computations were compared with such mea-surements as the mean lift, drag, pitching moment, pressure coefficients and breakdown locations. Furthermore, the unsteady properties were investigated in detail, such as the frequencies of force and moments, pressure fluctuation on the upper surface, typical vortex breakdown patterns at three moments, and the distributions of kinetic turbulence energy at a stream wise section. Two dominated modes are observed, in which their Strouhal numbers are 1.0 at the AOAs of 30°, 32° and 34° and 0.7 at the AOAs of 36o, 38° and 40°. The breakdown vortex always moves upstream and downstream and its types change alternatively. Furthermore, the vortex can be identified as breakdown or not through the mean pressure, root mean square of pressure, or even through correlation analysis.     

Transonic wing stall of a blended flying wing common research model based on DDES method

Numerical simulation of wing stall of a blended flying wing configuration at transonic speed was conducted using both delayed detached eddy simulation(DDES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(URANS) equations methods based on the shear stress transport(SST) turbulence model for a free-stream Mach number 0.9 and a Reynolds number 9.6 × 10~6. A joint time step/grid density study is performed based on power spectrum density(PSD) analysis of the frequency content of forces or moments, and medium mesh and the normalized time scale0.010 were suggested for this simulation. The simulation results show that the DDES methods perform more precisely than the URANS method and the aerodynamic coefficient results from DDES method compare very well with the experiment data. The angle of attack of nonlinear vortex lift and abrupt wing stall of DDES results compare well with the experimental data. The flow structure of the DDES computation shows that the wing stall is caused mainly by the leeward vortex breakdown which occurred at x/x_(cr)= 0.6 at angle of attack of 14°. The DDES methods show advantage in the simulation problem with separation flow. The computed result shows that a shock/vortex interaction is responsible for the wing stall caused by the vortex breakdown. The balance of the vortex strength and axial flow, and the shock strength, is examined to provide an explanation of the sensitivity of the breakdown location. Wing body thickness has a great influence on shock and shock/vortex interactions, which can make a significant difference to the vortex breakdown behavior and stall characteristic of the blended flying wing configuration.     

基于RANS-LES混合方法的翼型大迎角非定常分离流动研究

使用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟（RANS-LES）混合方法中的延迟分离涡模拟（DDES）方法,模拟了NACA 0015翼型在大迎角下的静态绕流和强迫振荡运动并与实验值进行了比较。在大迎角静态翼型大分离流动模拟中,DDES方法捕获了非定常RANS计算未能获得的机翼背风面的涡脱落现象。在所采用的RANS和DDES模型中,基于剪切应力输运（SST）湍流模型的SST-DDES混合方法给出的时均压力系数分布与实验吻合得最好。在大迎角强迫振荡翼型绕流模拟中,DDES方法得到的非定常气动载荷与实验值吻合得很好,正确地反映了最大迎角处阻力和俯仰力矩的阶跃性突变,而非定常RANS计算则给出了完全错误的趋势。     

脱体涡模拟方法研究及其应用

基于现有的非定常雷诺平均N-S方程的求解方法,研究与发展了脱体涡模拟方法（DES）。在紊流附面层内用RANS方法,湍流模型采用S-A模型,在其他区域结合S-A模型运用Smagorinski的LES模型,并将S-A模型中的物面耗散项进行适当的改进,使得改进的模型既充当了RANS中的S-A紊流模型,又充当了Smagorinski大涡模拟模型。为验证所发展方法的有效性,将研究的DES方法应用到一些典型流场计算中,并与已有结果或实验结果进行比较。     

高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究

选取基准壁湍流的槽道流动,研究了多种模型的壁面模化大涡模拟.模型包括经典的大涡模拟、Spalart-Allmaras、分离涡模拟和一种动态混合模型.基于摩擦速度的雷诺数范围为395~12000,采用3组粗糙网格,流向和展向维数分别同取37,49和65,法向维数保证y+(1)~1.主要研究平均速度、雷诺切应力分布、详细分析了各模型的特性差异并展示了相应的湍流结构.研究表明:在高雷诺数粗糙网格下,大涡模拟失去求解精度,分离涡模拟出现对数律不匹配,动态混合模型的计算接近直接数值模拟,其对数率区可解应力约占雷诺切应力的93%,边界层外层可解应力约占99%.这说明合适的混合模型可以在经济成本下保证计算精度,具有解决实际问题的潜力.