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。     

FlowStar:国家数值风洞(NNW)工程非结构通用CFD软件

计算流体力学（CFD）仿真软件是流体相关的数学物理知识和工程实践经验的数字化表达，是工业数字化转型的重要助推。然而，大型工业CFD软件研发难度极高，需要同时兼顾功能多样、系统稳定、性能优越、交互友好等特征。依托国家数值风洞（NNW）工程，研发出一款通用流场模拟软件NNW-FlowStar，并在航空、航天等工业部门大力推广使用。软件基于非结构有限体积求解方法和大规模并行计算技术开发，结合现代化软件工程思维设计，具备先进的数值方法、高效的计算效率和友好的用户操作界面，可满足各类复杂外形的高效气动模拟。独特的重叠网格技术配合六自由度运动模块，可帮助实现武器分离、舱门定轴转动等各类气动-运动协同仿真需求。多类标模案例和复杂工程应用表明，FlowStar软件算法鲁棒、精度可靠，是一款高精度、高效率、高可靠性的通用CFD仿真软件。通过对软件的架构设计和功能应用进行介绍，使相关从业人员能更好地了解FlowStar软件，最终促进国产自主CFD软件生态的良性发展。     

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免，将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响，以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象，通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据，获得了加工误差分布特征；针对实测转子叶片，采用三维CFD数值模拟方法，研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响；针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点，采用S2流面通流计算方法，在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明，转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响，同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律，主要原因为激波位置和强度的变化；在设计流量点，转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势，厚度偏差越大性能变化幅度越大；对转子叶片，来流相对马赫数随叶片高度增加而增大，性能对叶型几何误差的敏感性增强，综合压比和效率的变化，中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下，由风雷开源软件提供基础框架支撑，将建设成为基于结构/非结构混合网格，面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件，具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍，给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法，结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点，其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力，在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面，具有较高的数值计算精准度，初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

基于损伤权重的混合多钉连接件疲劳寿命预测方法

复合材料与金属材料混合多钉连接形式是当代飞机结构中最常见的连接形式，因此对于混合多钉连接件疲劳性能的研究有助于提高对飞机结构疲劳损伤的认知。针对以Ti-6Al-4V钛合金为螺栓的ZT7H/QY9611碳纤维增强树脂基复合材料连接板与30CrMnSiNi2A金属连接板混合多钉连接结构进行数值分析和试验研究。利用有限元方法，分别对复合材料和紧固件进行疲劳损伤预测，估算复合材料连接板上螺栓孔附近的损伤，依据复合材料和紧固件的损伤量所占权重，提出了以紧固件分布和复合材料连接板铺层层数为参数的经验公式，进而有效提高混合多钉连接结构疲劳寿命的预测精度。利用试验结果将螺栓孔损伤形式进行分类讨论，探索混合多钉连接件的损伤演化方式；利用C扫描技术得到复合材料分层损伤结果，与模拟结果进行对比分析，进一步解释了模型的合理性。与试验结果对比可以看到，考虑损伤权重的寿命预测值与试验值的对数误差仅为1.1%，相对于不考虑损伤权重方法的8.4%的对数误差，该模型寿命预测精度显著提高。     

功率级无刷直流电动机四象限运行模拟器设计

针对无刷直流电动机（BLDCM）驱动控制器在研发过程中全工况测试困难、测试成本高和研发周期长的问题，提出了一种采用分区间采样和解算方法的、具有四象限运行能力的功率级（PHIL）无刷直流电动机模拟器，替代实物电动机和机械负载装置完成对两两导通控制方式下无刷直流电动机驱动控制器的各项性能测试与可靠性试验。该模拟器由实时仿真器、电动机模拟变换器和多级式双向变换器3部分组成，实时仿真器负责采集被测电动机驱动控制器输出的PWM电压，实时解算电动机模型得到三相电流指令，控制电动机模拟变换器生成三相电流，多级式双向变换器负责维持模拟器输入、输出间的能量平衡关系，从而实现对四象限运行时无刷直流电动机的功率级模拟。实验结果表明:所提出的功率级无刷直流电动机模拟器模拟精度高、实时性好、测试灵活，能够有效替代实物电动机和机械负载装置，满足电动机驱动控制器的测试需求。      

轴流风扇动/静干涉噪声抑制的数值模拟与实验研究

动/静干涉噪声是风扇单音噪声的重要组成部分,?本文采用数值模拟与实验相结合的方式对某轴流冷却风扇转子与下游支柱之间干涉噪声的抑制进行了研究.数值计算采用大涡模拟(LES)与FW-H方程相结合的混合方法,噪声实验在全消声室中利用远场麦克风测量.通过改变支柱迎风面宽度(H)和壁面开槽(对应不同穿孔率SP)两种方式来改变风扇模型的流动工况,分析不同控制策略对风扇气流流动和远场噪声特性的影响.结果表明,在下游支柱的干扰作用下,轴流风扇压力面的平均静压在叶片中部呈现周期性的分布.随着支柱迎风面宽度H的减小和壁面槽穿孔率SP的增大,支柱上的平均静压和风扇压力面的RMS压力逐渐降低.两种控制策略均能够有效减弱涡及其涡/固干扰强度,从而降低风扇噪声.数值模拟与实验结果吻合较好,显示风扇叶片通过频率BPF处的最大降噪量在所研究的流动配置下可以达到5?dB以上.     

面向自动化物料传送的被动驱动托架设计与分析

针对现有的航天飞行器数字化装配生产线产品转运自动化、装配数字化的发展趋势,设计了一套兼容生产线全流程转运工作设备、适应多几何尺寸的托架。在分析作业现场产品转运流程、保证要求以及装配需求的基础上,提出了一种基于辊杠动力源的被动驱动托架总体设计方案,解析了托架关键受力部位和薄弱点,有针对性地开展了关键部件的设计、计算、校核,并使用专用软件开展了数值模拟分析与验证,托架试制完成后进行了工程试用。结果表明:关键部件的强度数值模拟值与理论设计计算值偏差在10%以内,位移形变均保持在0.1mm以下,验证了设计的准确性和合理性;工程使用阶段,托架的功能和性能均满足现场使用要求。     

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟

我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益.多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究.本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24?h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布.研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73?m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响.     

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。