激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响，飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究，利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量，并结合热流测量结果，研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%；高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程，试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

卷积自编码器在非定常可压缩流动降阶模型中的适用性

为有效降低使用计算流体力学(CFD)方法的设计成本和周期，降阶模型(ROM)得到广泛关注。对于复杂的可压缩流动，使用本征正交分解(POD)等线性方法进行流场降维，需要大量模态才能保证流场重建的精度，采用非线性降维方法能够有效减少所需模态数。卷积自编码器(CAE)是一种由编码器和解码器组成的神经网络，能够实现数据降维和重构，可看作是POD方法的非线性拓展。采用CAE进行流场数据的非线性降维，同时使用长短期记忆(LSTM)神经网络进行流场状态的时间演化。对于不可压缩问题，使用自编码器和LSTM结合进行流场重构的方法已有较多研究，选择一维Sod激波管、Shu-Osher问题、二维黎曼问题和开尔文-亥姆霍兹不稳定性算例，测试该ROM对非定常可压缩流动的有效性，同时基于POD方法，在不同模态数下构造Sod激波管和黎曼问题的ROM作为对比。结果表明：对于非定常可压缩流动，CAE-LSTM方法能够在使用较少自由变量数的前提下获得较高的重构和预测精度。     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明, 随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。      

基于CE/SE法的翼型流场激波捕捉计算

在二维四边形结构网格下,针对时空守恒元和解元(CE/SE, space-time Conservation Element and Solution Element)方法捕捉激波需要双倍空间网格点的问题,重新对守恒元和解元进行了定义,计算点同时包含单元中心和网格节点,并推导得到了新的CE/SE方法的计算公式.以此为基础,结合非敏感克朗数(CNIS, Courant Number Insensitive Scheme)计算格式和当地时间步长方法,对激波翼型流场进行数值模拟,并与原方法及AGARD报告进行对比.结果表明,对原CE/SE方法的改进是有效的,可明显提高激波分辨能力,并且激波前后无明显的数值震荡发生,新方法适合应用于翼型流场中捕捉激波.     

用GAO-YONG湍流模式对翼型跨音粘流的数值模拟

应用GAO-YONG可压缩湍流模式,数值模拟了NACA0012,RAE2822翼型的定常跨音速粘流算例.对流项采用三阶ROE格式,扩散项采用二阶中心格式,用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果很好地预测了翼型表面的压力系数的分布、激波的位置、马赫数等值线的分布等情况,并且对翼型表面激波与边界层相互干扰以及层流向湍流的转捩问题进行了分析计算.计算结果与实验值符合很好,表明GAO-YONG可压缩湍流模式应用合适的计算方法能够高精度模拟翼型跨音粘性流动问题,并且基于GAO-YONG可压缩湍流模式各向异性湍流粘性的机理,提供了一种预测转捩起始位置的判别方法.      

球头锥-柱再入飞行器的动力环境预示

考察了超声速和高超声速流场中一类球头锥-柱再入飞行器表面稳定压力和脉动压力的分布特性,利用CFX(Computation Fluid Explorer)软件建立球头锥-柱的外流场域网格,对其进行定常、非定常流场分析,给出一套预测表面稳定压力和脉动压力环境的工程新方法.将该方法与理论和经验估算方法进行了对比分析,验证了该方法的可行性和适用性.同时利用该方法研究了马赫数、来流攻角等因素对再入飞行器表面脉动压力环境的影响.利用ANSYS大型软件建立了再入飞行器导弹头部的动力学分析模型,根据确定的再入飞行器表面脉动压力环境和随机振动分析理论,采用有限元谱分析方法计算得到该飞行器弹头部件的随机振动响应加速度的均方根值和功率谱密度曲线,计算结果满足工程应用的要求.      

局部振动对火星环境下薄翼型气动性能的影响

火星的稀薄大气环境迫使无人机在亚临界雷诺数范围工作，低雷诺数层流分离问题给无人机气动性能带来极其不利的影响。同时，火星大气的声速较低，使无人机运行的马赫数更高，压缩效应增强并可能产生激波。为研究火星环境下翼型局部振动的流动控制作用，采用基于动网格的数值方法对非定常流场进行模拟。选取NACA5605低雷诺数薄翼型，雷诺数为1.5×10⁴，马赫数为0.43和0.63。时均流场和时均气动力系数结果显示：翼型局部振动能够明显减少时均分离区的大小，起到增升减阻的作用。非定常流场表明流动控制机理在于振动产生的涡流运动抑制了翼型尾缘附近的层流分离。研究了不同振幅、频率和振动位置下的流动控制效果。最佳参数下，马赫数为0.43时升阻比最多提高24.7%，马赫数为0.63时升阻比最多提高52%。     

跨音叶栅流场的相仿律

跨音叶栅绕流参数繁多,为了便于系统研究参数影响,也为了扩展某个气动性能良好的叶栅的使用范围,研究不同流场之间的相仿可能是有益的。多年前VonKarman曾给出了二维孤立翼型的跨音相仿律。然而,由于远前后方边界条件的不对称性,以及叶轮机械流场的周期性 所以叶栅的相仿律和孤立翼型的尚应有所不同。本文指出,为了维持两个叶栅流场的相仿,五个对应跨音相仿参数应分别相等。文中举例表明,相仿性有助于由一个巳知给定叶栅流场迅速得到很多在不同条件下运转的相仿跨音叶栅流场。     

有限振幅扰动下高超声速钝楔绕流感受性

为了研究自由流脉冲波作用下高超音速流动感受性特征,采用高阶有限差分方法模拟钝楔超高音速绕流中来流慢声脉冲波作用下的非定常流场,并应用傅里叶频谱分析了边界层扰动模态的演化.结果显示,自由流脉冲扰动下,边界层不同模态波沿流线呈现不同变化规律.球头区边界层感受到的主要是基频波,在球头向非球头区过渡段,主导模态迅速向高频迁移;在非球头区,主导模态频率缓慢向高频迁移.总的来说,沿流向总扰动模态中的低频模态成分变小,高频,特别是二阶谐频附近模态成分显著地增大.沿流线发展,边界层不同扰动模态之间存在伴随能量迁移的模态竞争物理现象,主导模态的发展对其他模态有很强的抑制作用.      

翼型近波浪水面气动特性研究

采用求解Navier-Stokes方程的数值方法研究了翼型NACA4412近距离经过波浪水面时的气动特性。对数值方法的准确性进行了验证。计算了翼型经过波浪水面和固壁波浪地面2种边界条件下的气动力系数，并进行了对比。研究结果表明:翼型在经过波浪水面时气动力系数会发生周期性的变化，与固壁波浪的情况相比，气动力的变化曲线存在显著差异，波动幅度更大。通过对流场结构的分析，发现了翼型和波浪水面之间的作用机理。波浪水面的质点存在竖直方向上的运动，在小地面间隙时，水面质点向上运动会挤压翼型和水面之间的空气，从而造成翼型气动力大幅波动。同时解释了来流速度越大，气动力系数波动幅度减小的原因。      

求解跨音位流问题的改进SIP方法

本文研究Sankar提出的,用全位势方程求解跨音流场的强隐式方法(Strongly Implicit Procedure)。针对强隐式方法在求解跨音流场中的问题作改进,即采用了新的人工压缩密度计算方法,计算绕孤立机翼、叶栅通道的跨音流场,降低了在跨音位流计算中激波前后的数值振荡,并提高了算法的稳定性,     

一种跨声速定常流场求解加速方法

跨声速定常流场的隐式求解相当于使用牛顿迭代法求解一个非线性方程组。为满足牛顿迭代收敛性的要求,通常需要对所求解问题进行全局化处理。在同伦延拓的框架内,提出了一种基于拉普拉斯算子的方程延拓方法,提高了定常流场隐式求解收敛速度。针对定常流场通常初始化为均匀来流的特点,一方面利用拉普拉斯算子的椭圆性加快边界条件信息向流场内部的传播,另一方面利用拉普拉斯算子的线性和正定性改善延拓问题的正则性,综合两者增加拟牛顿算法的稳定性,提高可用CFL数,最终达到提高流场求解效率的目的。由于流场问题的复杂性和非线性,难以通过理论分析得出先验的最优非线性求解策略。因此,通过无黏NACA0012翼型、湍流RAE2822翼型和三维ONERA M6机翼等算例的数值实验,研究了拉普拉斯项参数对收敛效率的影响,给出了效率较优的参数组合,验证了本文方法在跨声速情况下相对于经典伪时间推进法可以节约20%以上的CPU计算时间。      

新型主动液压滤波器的设计与分析

针对目前主动液压滤波器体积大、结构复杂等问题,提出了一种占用空间小、结构简单的新型主动液压滤波器. 采用计算流体动力学在时域内对滤波器所载流体域进行了压力分布计算,分别对三组可控参数激励位移幅值D_m及频率f_m作用下的流体域进行分析,通过比较分析发现,D_m和f_m的选择决定着该液压滤波器性能的优劣,如果二者与原始非定常流幅频特性匹配较好,则该液压滤波器滤波效果良好,反之,会使系统压力脉动变的极不稳定,这与波的干涉原理相互吻合. 算例计算结果表明,当激励频率与初始非定常流频率重合达525 Hz,且激励幅值达0.05 mm时,系统的压力脉动峰峰值可从2.26 MPa降到0.25 MPa,即脉动从±5.38%降至±0.6%,说明了该主动液压滤波器的有效性.     

二维非结构网格的可压缩Euler方程流场解

讨论了非结构网格的生成方法,用Delaunay三角化方法和推进阵面法相结合的方法生成了非结构网格,提高了生成非结构网格的自动化程度和网格的质量.用有限体积法在非结构网格中求解了二维可压缩Euler方程,给出了单段翼形和两段翼型的算例,并与实验结果进行了比较和分析.     

二维非结构网格的生成及其Euler方程解

 采用推进阵面法生成三角形非结构网格,用多重网格技术求解泊桑方程以取得结构背景网格.提出了一种高效的边界剖分法,并用它来生成初始阵面.另外,还提出了一种新颖的数据结构——数组链接表,用它来存贮网格数据.用有限体积法在非结构网格中求解了二维可压缩Euler方程,给出了单段翼型和多段翼型的算例,并与实验结果进行了比较和分析.