可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

Structurally coupled characteristics of rotor blade using new rigid-flexible dynamic model based on geometrically exact formulation

In rotor dynamics, blades are normally modelled as a slender beam, in which elastic deformations are coupled with each other. To identify these coupling effects, new rigid-flexible structural model for helicopter rotor system is proposed in this paper. Finite rotations of the whole blade(on flapwise, lagwise, and torsional) are described as three global rigid degrees of freedom.The nonlinear deformation geometrics of the beam is built on geometrically exact beam theory.New expressions for blade ...     

面向全疆域设计需求的某涡轴发动机核心机转子减重优化

为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明：在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。     

带副翼三维机翼绕流的Euler方程解

提出了一种求解带副翼偏转三维机翼绕的Ｅｕｌｅｒ方程计算方法。采用对接分区网格民分区求解算法的结合,有铲地求解绕引外形的复杂流动,提出了一种满足通量守恒的内边界耦吉选用ＶａｎＬｅｅｒ分裂格式离散玩粘通量项,并构造了一种Ｌｉｍｉｔｅｒ函数以保证ＴＶＤ性质。数值算例表明本方法是求解带操纵纵面偏转的机翼绕流的有效方法。     

带副翼三维机翼绕流的N-S方程解

提出了一种求解带副翼偏转三维机翼绕流的N-S方程计算方法。采用对接分区网格与分区求解算法的结合,有效地求解绕此外形的复杂流动。提出了一种满足通量守恒的内边界耦合条件。数值方法中选用vanLeer分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项。数值算例表明该方法是求解带操纵面偏转的机翼绕流的有效方法。     

基础激励下结构模态参数辨识

利用基础激励辨识结构模态参数的方法是一种在空间飞行器的研制中具有工程意义的模态分析方法。文中对这一方法做了较为系统的探讨,推导出了基础激励下频响函数的数学模型,其形式类似于传统方法中相应的公式,因而只需对测量数据稍作代数修改,即可利用现成的模态分析系统进行基础激励下模态参数的辨识。通过计算机仿真、悬臂梁试验及工程实例的综合分析,表明基础激励方法在工程应用中具有与其他传统方法同等的可靠程度。     

推进剂供应管道的集中参数近似模型研究——模态近似模型

提出了用模态近似法建立分布参数湍流管道的集中参数近似模型的新方法,发展了适用于水力和绝热气体湍流管道的两种模态近似模型：Ｉ－Ｒ－Ｃ模态和等效层流模型。模型中考虑了频率相关摩擦损失。利用单根管道阀门关断问题的仿真计算对本文的模型进行了验证,计算结果与考虑频率相关摩擦损失的特征线方法的计算结果十分吻合。     

分布参数液体管道的分段近似状态空间模型

分别提出了分布参数层流和湍流液体管道的分段近似状态空间模型,模型考虑了稳态摩擦和频率相关摩擦损失两种情况,层流管道的分段近似状态空间模型是线性的,而湍流管道的是非线性的。包括频率相关摩擦损失的模型比只考虑稳态摩擦损失的模型更精确地描述流体管道的瞬变过程,但模型的阶次成倍地增加了。用单根管道阀门关断的水击问题仿真计算对模型进行了验证,采用２个分段的分段近似状态空间模型的计算结果已经与特征线方法的计算结果吻合较好。     

重特征值模态灵敏度分析的非线性摄动法

利用非线性摄动等式,推导了实对称矩阵的重特征值模态灵敏度计算公式。该方法的优点是保持了原特征系统矩阵的对称性和带宽。数值算例表明该方法精度高,易于计算和实施。