模拟MKDV方程的格子Boltzmann方法

目前,格子Boltzmann方法已被广泛应用于模拟各种非线性物理方程。文中用D1Q2模型给出MKDV方程的带修正项的BGK型格子Boltzmann方法。通过对演化方程的泰勒展开并应用多尺度技术恢复了宏观方程。数值模拟表明文中所建立的模型是有效的。     

一维非定常流的气体格子模型

本文研究气体格子模型的一维流动。阐述一般的简单气体格子族。利用2-速度系数模型研究了激波的形成、反射以及相互干扰。计入了不同的初始条件和边界条件。一维气体格子模型考虑了可压缩性和二维、三维模型的基本特性。     

高雷诺数下的翼型绕流LBM数值模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)的二维9速度(D2Q9)模型和贴体网格,通过引入非均匀网格插值方法和非平衡态外推边界处理,分别结合Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型,对高雷诺数Re≥5×105下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟和对比研究,两者的结果与CFL3D的结果和实验结果均吻合的很好,相比之下,采用S-A模型能更好地预测失速迎角,其处理分离流动的能力要强于B-L模型。改进后的LBM适用于非均匀贴体网格,曲边边界,计算简单,并可应用于更复杂的高雷诺数流动中。     

曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

针对在欧拉-拉格朗日网格框架下曲边界上的两相流润湿边界条件实施问题，本文提出了一种简单扩散界面浸没边界法。在此方法的框架下，静止和移动曲边界的湿润边界条件都可以采用平板边界方式处理。在该方法中，我们在实际边界内外一个拉格朗日网格间距处添加了两层虚拟贴体拉格朗日网格，并通过插值得到三层拉格朗日点上的序参数，从而得到实际的曲边界润湿条件。该方案实施思路简单，不仅适用于静止曲边界，还适用于复杂的运动曲边界。为了验证该方法的有效性，本文在广义守恒相场格子玻尔兹曼方法（LBM）框架下，模拟了静态液滴在圆柱上的铺展、动态液滴撞击圆柱、圆柱在水池中沉降三个问题。结果表明该方法能够有效地模拟曲面上的两相流动，具有良好的精度、鲁棒性和质量守恒性。     

格子玻尔兹曼正则化碰撞模型的理论进展

数值稳定性问题一直是困扰格子玻尔兹曼方法在高雷诺数高马赫数流动中广泛应用的瓶颈。在格子玻尔兹曼方法领域改良碰撞模型的数值稳定性和精度一直是近30年来的研究难点和热点。正则化碰撞模型作为众多碰撞模型的一个重要分支，近几年来取得了重要理论进展，目前已在高雷诺数湍流模拟、高马赫数可压缩流动以及气动声学领域得到了广泛应用。本文系统地回顾了正则化碰撞模型的发展历史，并建立了一个系统的理论框架阐述不同正则化碰撞模型之间的理论联系。同时，揭示了正则化多松弛碰撞模型的理论本质，就是在与坐标无关且自相似的矩空间中将离散格子模型表达不了的高阶动理学矩进行快速松弛，以避免虚假模态对水动力学方程的影响。     

可以恢复Navier-Stokes方程的3阶格子Boltzmann作用力模型

为了给出能够恢复适用于低黏性流动的Navier-Stokes方程的3阶格子Boltzmann作用力模型，修正了Shan等人给出的3阶格子Boltzmann作用力模型，并重新定义了受作用力影响的流体速度和总能。使用修正后的Shan模型,通过Chapman-Enskog展开，可以将lattice Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)方程恢复到Navier-Stokes方程（含能量方程）, 且没有产生任何误差项。      

基于火焰面密度的湍流分层燃烧大涡模拟

为了研究分层燃烧火焰结构、发展适用于分层条件的亚格子燃烧模型,采用火焰面密度模型描述燃烧过程,通过化学热力学建表方法确定主要标量信息,对剑桥分层旋流燃烧器Sw B5工况进行大涡模拟研究。模拟结果表明,该亚格子燃烧模型可以很好地满足流场上游的计算,但是在下游存在偏差,这可能与所采用的皱褶因子模型低估了湍流对火焰的形变作用有关。由于燃烧放热引起的再层流化现象明显,钝体后回流区近似稳态。瞬时Q函数云图表明,流动在管口附近发生Kelvin-Helmholtz不稳定性并形成环状涡结构。瞬时、统计火焰因子云图表明Sw B5的燃烧机制主要由预混燃烧主导。     

格子气模型在机场出港大厅旅客疏散过程应用

利用偏向随机行走格子气模型中方向选择概率的计算方法和该模型中的串行更新规则,建立了偏向随机行走格子气行人流模型,将其应用到机场候机楼出港大厅,并对出港大厅内的出港旅客流的形成、平衡、缓解和消散四个阶段进行了模拟和研究,给出了模拟过程,并得到了出港旅客流的流动规律和运动性能参数.     

基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法.在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值.由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易.为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证.同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟.通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好.     

基于DDB的二维/轴对称三波交汇流场数值模拟

采用运动间断边界拟合算法,在运动网格下求解二维与轴对称欧拉方程组,对脱体激波、锥面波、三波交汇等多种稳态波系进行数值模拟,精确得到了多种典型激波形状、波后流场及波系结构。本文提出的运动间断边界拟合算法,系基于经典计算流体力学方法、R-H运动间断条件、运动边界条件和Delaunay背景网格技术,由指定的网格块边界拟合待求激波,并以网格分块方式解决多道波相交问题。通过引入轴对称形式欧拉方程组,直接将此算法推广至轴对称流动领域,并精确拟合了锥面波相交问题。算法精度高,易于在CFD程序基础上实现,可用于超声速飞行器进气道压缩面、唇口设计以及乘波体设计。     

欠膨胀椭圆射流的流动结构

为了探讨超声速欠膨胀椭圆射流的流动特征,采用大涡模拟（LES）方法与高精度混合格式对出口压力比N分别为14、24、40的欠膨胀椭圆射流流场结构进行数值模拟。结果清晰描述了欠膨胀椭圆射流的三维(3 D)结构特征与发展规律,并分析了因喷嘴方位曲率不一致而导致长轴与短轴平面上激波结构出现差异的原因。另外,结果还发现:当N为24时,短轴平面上射流域内的激波结构已由正规反射转变为马赫反射,但长轴平面上仍维持正规反射,而当N为40时,长轴与短轴平面上的激波结构均为马赫反射结构,由此可知喷嘴方位曲率变化越平缓,马赫反射形成所需的出口压力比越大。      

高精度数值方法在DNS中的应用

利用不同格式模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算结果的影响。研究了不同计算格式对自由剪切层扰动波增长的影响,结果表明:对于二维扰动波模型,采用二阶精度格式,扰动波在平板边界层中只能出现衰减的结果;在自由剪切层中,虽然能模拟出扰动波在传播过程中幅值的增长,但却在相当长的计算范围内看不见三维波的出现。但对于同样的扰动模型,如果采用高精度格式,在边界层中能出现增长的T-S波,并与线性理论非常吻合;在自由剪切层中,扰动波不仅迅速增长,并能在不很长的距离内,明显的看到三维波的出现,并激发出了三维结构。      

AUSM+格式的改进

为了提高AUSM 格式对流场计算中激波和剪切流的分辨率,减小数值振荡和激波后数值过冲问题,本文在原有AUSM 格式的基础上经过数值研究分析,对AUSM 格式进行了声速、特征马赫数的处理方式,对网格界面马赫数等进行了改进,并用改进后的AUSM 格式求解了含有脱体激波、斜激波、剪切流、膨胀扇、及湍流边界层等流动特征的复杂流动.经典型算例检验证实,改进后的AUSM 格式对激波和剪切流的分辨率得到了加强,求解的准确性和收敛性有一定的提高.改进后的AUSM 格式继承了原AUSM 格式优点,计算处理问题能力增强,可以有效地应用于亚声、跨声和高超声流动的工程实际问题中.     

基于时间推进的涡扇发动机整机通流数值模拟

为实现航空发动机整机流场与性能快速分析,基于准三维控制方程模型,开发了整机通流数值模拟程序。程序基于计算流体力学理论,并考虑了引气、冷却和喷油等发动机中的物理现象。为模拟叶片对气流偏转作用,推导了一种鲁棒的无粘叶片力模型,同时采用粘性力模型模拟粘性损失效应。采用该程序对某型双轴分排涡扇发动机一个地面试车工况点进行了整机数值仿真,并与实验数据进行了对比验证。结果表明,所发展程序求解稳定,能够自动捕捉激波,并且可以快速获得完全收敛的航空发动机整机准三维流场,单工况点计算时长不大于30min。其中计算截面平均参数与实验测量偏差不大于8%,符合工程应用精度需求。     

基于正激波位置计算的进气道/发动机系统实时仿真模型

研究了超声速条件下,基于进气道内正激波位置计算的进气道/发动机系统综合仿真问题。提出了将超声速进气道分为内、外两部分独立计算的方案,外部通过斜激波计算公式获得进气道内部的边界条件,对进气道内部采用准一维CFD模型模拟背压对正激波位置的影响。相比二维CFD计算,在保证参数精度要求的前提下有效缩短了计算时间,提高了仿真实时性。进一步将进气道模型与发动机部件级模型匹配运行,构建了进气道与发动机综合实时仿真模型。进气道/发动机综合模型的仿真表明,其能够准确模拟进气道正激波位置对涡扇发动机的动稳态影响,当来流发生扰动时,通过喷管喉道面积和压缩部件导叶角的快速调节,能够抑制正激波位置的变化,并使推力下降量减少50%。      

跨音速粘流的计算

 概述了一种采用粘流/无粘流相互作用原理计算跨音速粘流的方法。采用熵修正激波算子计及跨越激波时的熵增,形成的非等熵位势方法可比传统的位势方法更准确地计算无粘流动。提出了一种流向速度型,结合其它辅助关系式导出了三维湍流边界层积分方程反方法。用此方法可求得粘流解。利用半反耦合方式耦合了无粘流和粘流解。数值算例表明,计算结果与实验结果吻合;且对计算机的要求较低。     

大涵道比风扇叶片气动优化设计

应用自动优化方法进行大涵道比风扇叶片三维气动设计,数值最优化采用遗传算法，并利用网络通讯协议实现多CPU并行优化,大幅度缩短优化耗时.对风扇叶片型面、叶片积叠线、子午面流道、叶型安装角和叶型弦长采用基于修改量的参数化方法、结合遗传算法设计参数范围限制,以达到优化过程生成个体的可控制、合理性.采用Denton黏性体积力方法进行流场计算,较大程度减少流场计算耗时，进一步缩短优化时间.以提高设计点风扇效率、保持设计点总压比和流量不变为优化目标,并对非设计点性能进行全工况校核.通过两次不同设计参数设置的优化,最终优化风扇效率由09463提高到09560；稳定裕度由112%增加到219%.最终优化风扇叶尖处激波前马赫数略有下降，且激波向通道内倾斜,因此激波及激波造成的附面层损失下降，且稳定裕度增加.      

爆轰波-激波迎面作用后的稳定波系

本文为对当量比乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波正面对撞产生稳定波系的实验和理论研究.实验主要以高速扫描摄影获取两波对撞的x-t纹影图,一维理论分析则基于三种热完全的组分求解两波对撞的稳定解并探寻它们的规律.实验发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这种波系情况与一维理论分析中CJ解一致.透射CJ爆轰与人射爆轰相比马赫数降低,而相对波前来流的传播速度有轻微提高,但在实验室坐标下其速度显著降低.透射波系受初始压强影响不大;初始温度提高使得爆轰波速度降低,而透射激波速度增加;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波时稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大.