高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题，基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路，通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程，开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟，与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证，研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题，分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高，热化学非平衡效应及其冻结现象严重；（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间，分布合理，验证了计算方法和程序的正确性；（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响，模型与喷管出口的距离越大，模型表面压力和热流越低；（4）当驻室总压较低时，通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效，使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异，在非催化条件下这一现象更加明显；（5）当驻室总压较高时，使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件，产生的热流差异明显减小。     

不同凹槽叶尖对双级涡轮气动性能的影响

利用数值模拟方法,研究了双级涡轮环境下常规凹槽叶尖和吸力面肋条尾缘开缝凹槽叶尖对泄漏损失的影响。基于叶尖端区流动结构,探讨了吸力面肋条尾缘开缝凹槽几何对叶尖泄漏损失的影响及上游凹槽叶尖对下游气动损失的影响机理。结果表明,相比常规凹槽叶尖,吸力面肋条尾缘附近合理的开缝结构不仅能增强刮削涡对泄漏流动的控制作用,而且还能减小叶尖中下游泄漏流与主流的夹角,对涡轮级气动性能的提升更加有利。在双级涡轮环境中,第一级转子凹槽叶尖对第二级涡轮气动性能的作用不可忽视。第一级转子凹槽叶尖通过控制泄漏涡的发展降低下游静子机匣边界层速度梯度,从而减弱了静子机匣通道涡强度,进而减小了第二级静子气动损失。     

短螺旋型燃烧室旋流结构及气动边界发展规律数值模拟研究

短螺旋型燃烧室的头部轴线沿发动机周向与发动机轴线偏转一定角度,可以在保证燃烧效率不变的条件下有效缩短燃烧室轴向长度。短螺旋型燃烧室流场的最大特点是旋流流动单侧受限。为了研究头部安装角α变化对燃烧室旋流流动特性的影响,基于数值方法对短螺旋型燃烧室进行了计算分析。结果表明:随着α变化,旋流器下游旋涡依次出现对称环状、马蹄状、环状结构;随着α增加,气动边界逐渐出现并抑制旋流的周向扩张,导致流场出现不同的旋涡结构;不同α下的切向角动量随轴向距离增加而衰减,但α为35°和45°时,气动边界在非受限侧出现并对旋流产生约束,角动量衰减变慢;当α为0°,15°,35°,45°时,燃油液滴依次集中分布在旋流器下游两旋涡边缘、侧壁面和头部端壁、非受限旋涡边缘。本文研究了不同α下的旋涡结构及气动边界沿轴向的演化过程,为短螺旋型燃烧室进一步的设计与优化提供基础。     

三类气动导纳数值识别方法的适应性研究

针对气动导纳函数的数值识别方法,借助于CFD,在简谐脉动来流、湍流和竖向阶跃来流下对平板断面和箱梁断面的导纳函数函数进行研究。首先,在无断面存在的空流域内详细研究了简谐脉动来流、湍流和竖向阶跃来流的传播特性及其数值计算方法。其次,对有断面存在的情况进行了数值计算。最后,识别得到了平板断面和箱梁断面在三种不同来流下的气动导纳函数。结果表明:对平板断面,三种方法识别得到的气动导纳函数与Sears函数吻合良好,验证了三种数值计算方法的可行性;对箱梁断面,简谐来流和湍流下识别的气动导纳差别不大。相比之下,完全基于线性叠加原理的阶跃来流方法产生了实质性的偏差,表明该法不宜用于钝体断面。计算效率方面,湍流的计算效率适中且对任意断面适用;简谐脉动来流的计算效率最低,适用于气动导纳与风场无关和弱相关的断面;竖向阶跃流方法具有计算时间短的优势,但它仅能用于气动导纳与风场完全无关的断面。     

摆线桨非定常动态失速的三维效应

对摆线桨三维全尺寸模型进行了非定常数值模拟。验证了两种嵌套网格方法的可靠性与适用性,针对二维/三维情况下摆线桨非定常涡流动特性及诱导分离特性开展了数值分析,重点研究了展向气动力随方位角的分布与全局流场的诱导速度分布,并分析了尾迹捕捉精度与涡量耗散特征。结果表明:受摆线桨切向速度、展向诱导速度等三维效应影响,两种计算结果的瞬态气动力极值差值达到44%。三维动态失速涡的产生、脱落与再附明显弱于二维翼型情况,这对于摆线桨非定常气动特性有较大影响。      

并联式TBCC排气系统模态转换过程的流场特性研究

为了研究并联式TBCC（Turbine Based Combined Cycle）排气系统在模态转换过程中出口流场的变化特性及其气动性能的变化规律，采用动网格等技术完成了某并联式TBCC组合排气系统在整个模态转换过程中的非定常数值模拟。同时，对该排气系统模态转换过程中若干工况时的冷流进行了风洞试验，并将试验与数值仿真结果进行比较。研究结果表明:模态转换过程中，并联式TBCC排气系统出口流场的波系结构十分复杂，分流板出口激波对排气系统的气动性能产生了一定影响；TBCC排气系统的推力系数始终保持在0.9以上，但其产生的升力变化较大；风洞试验获得的壁面压力分布及流场纹影与数值模拟结果吻合较好，从而证明了本文数值模拟方法的可行性。     

基于流形结构重建的多目标气动优化算法

在多目标优化中，Pareto解集是一个分段连续的k维流形，这一规律被传统进化算法所忽略。本文提出了一种基于流形结构重建的多目标优化算法，首先利用流形结构重建方法完成解集分布从目标空间到设计空间的映射，建立解集的概率分布，并在目标空间中扩展流形结构，从而借助解集在目标空间的推进来指导优化算法的快速演化。数值算例表明本文算法对于具有不同特征的Pareto前沿具有很好的适应性，能够极大提高算法的收敛效率。多目标气动优化算例验证，本文算法相比于常规多目标进化算法能够减少约80%的计算量，极大程度缩短了气动设计的周期。     

基于代理模型全局优化的自适应参数化方法

对于翼型气动隐身设计问题，设计变量的配置对设计结果影响很大，而简单地增加设计变量不能保证得到理想的结果。提出一种适用于代理模型全局优化的自适应参数化方法：利用全局敏感性分析方法——基本效应法，得到设计空间关于目标函数的敏感区域信息，并以此为根据增加设计变量；利用节点插入算法将低维样本在高维空间内进行重构，避免了重新取样的工作量。相对于传统固定设计空间维度方法，自适应参数化方法在设计空间的敏感区域扩展维度，能够更加精准地描述外形并反映目标的变化趋势。通过飞翼布局翼型的气动隐身优化算例，证实自适应参数化方法可以大幅提高优化设计质量和效率。