两种湍流模型在跨声速绕流计算的应用研究

湍流模型在对复杂流场的数值计算中起着非常重要的作用.本文采用SA一方程湍流模型和SST k-ω二方程湍流模型,通过解耦求解雷诺平均N-S方程和湍流模型方程实现对亚跨超声速湍流流场的数值模拟.对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼跨声速绕流流场进行了计算,对压力分布和激波位置与实验结果进行了细致的比较,并分析了不同离散格式、不同网格疏密及壁面函数对计算结果的影响,在计算过程中这两个模型体现出了较好的简捷性和健壮性.     

悬停旋翼无粘流场数值模拟中的多重网格方法

发展了一种基于不同空间离散格式的多重网格算法,并应用于悬停旋翼无粘绕流的Euler方程数值模拟。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域,同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间,使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场,因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散采用了Roe s FDS格式和Jameson中心有限体积格式,时间推进应用了五步Runge-Kutta方法。采用多重网格V循环方式,对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明:多重网格算法可以显著加速悬停旋翼无粘流场的数值计算收敛速度;无论在激波分辨率还是在计算精度上,Roe s FDS格式都优于JST格式。     

高阶精度格式WCNS-E-5在亚跨声速流动中的应用研究

采用高阶精度非线性紧致加权格式WCNS-E-5和Baldwin-Lomax模型,求解雷诺平均Navier-Stokes方程,开展了典型翼型与机翼的湍流流动数值模拟研究.对方程中粘性项采用的四阶精度差分近似以及网格导数求解与边界格式的四阶精度,保证了高精度算法的实现.计算结果表明:本文算法能够准确地模拟这些翼型与机翼的亚跨声速流场,得到与实验测量十分吻合的壁面压力分布,计算结果对网格的依赖性小.     

用隐式WENO格式计算悬停旋翼跨声速流场

发展了一种基于高阶迎风格式的计算悬停旋翼跨声速流场的隐式有限体积法。对流项采用Roe通量差分分裂格式,使用五阶WENO格式进行左右状态重构,并与MUSCL插值进行比较;粘性项采用中心有限体积法。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。数值模拟采用了一种能够有效传递网格间流场信息的重叠网格,其中使用了三层内边界和贡献边界的方法以便插值的直接进行。用该方法对一跨声速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算,数值结果表明:与MUSCL格式相比,WENO格式对激波位置捕捉得更准确,具有更强的涡捕捉能力,同时还表明了WENO格式在很大程度上能够克服涡耗散问题。     

GMRES算法在悬停旋翼数值模拟中的应用

发展了一种基于广义极小残差(GMRES)算法的悬停旋翼数值模拟方法,并对GMRES算法中矩阵与向量乘积的两种计算方法进行了分析和讨论。应用该方法在旋转坐标系中采用非结构混合网格和格点格式有限体积法对以绝对速度为变量的欧拉方程进行了直接求解,其中对流项的离散应用了基于Roe的Riemann近似解的迎风格式。对Caradonna-Tung旋翼跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算结果与相关实验数据吻合较好,并与LU-SGS方法进行了对比,表明GMRES算法可以有效地加速流场的收敛,提高计算效率。     

跨声速轴流压气机特性全三维粘性流动分析

应用Steger-Ｗarming通量分裂技术,将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,应用 NND格式对无粘项进行数值离散,粘性项采用中心差分格式,采用LU-SGS隐式推进迭代建立了跨声速轴流压气机性能及内流场三维N-S方程的高分辨率和高效率的数值方法。数值模拟给出NASA ROTOR37和NASA ROTOR67性能及内流场流动结构。并进一步基于混合平面法建立了多级轴流压气机性能计算模型,详细分析了某一级跨声速轴流压气机性能和内流特性,计算与实验结果比较表明了本模型与方法是可行的和可靠的。     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

超声速进气道湍流流场的数值模拟

采用有限体积法数值模拟了超声速进气道的湍流流场,改进了离散纳维尔－斯托克斯方程中粘性项的方法,使之具有较好的守恒性,研究使用了变系数的隐式残差光顺等加速收敛技术,并讨论了超音来流、收敛型进气道复杂流场初场的给定方法,所得到的数值解正确地展示了流场的复杂激波结构。     

超声速横喷干扰湍流场数值模拟

本文探讨了超声速平板横向喷流干扰湍流流场的数值模拟方法。分别采用Roe、Harten-Yee及AUSM 格式对三维雷诺平均Navier-Stokes方程进行离散,湍流模拟应用Baldwin-Lomax代数模型,讨论了B-L模型中Fy最大值的不同选取方式。分析了数值格式、网格划分对计算结果的影响。将来流马赫数为5、喷流马赫数为3的实验结果与计算结果进行比较,选择了与实验符合较好的数值模拟方法,为进一步利用数值计算方法研究喷流干扰流场特性奠定基础。     

超声速电弧喷射器内等离子体流场的数值模拟

对一个以氮气为工作气体、在局域热力学平衡下的超声速电弧喷射器内等离子体流场进行了数值模拟。流动模型是耦合了电磁场的扩展Ｎ－Ｓ方程组。电场由电势方程近似反映,只考虑周向自感应磁场。数值方法中, 空间离散格式为中心差分, 用标量耗散模型抑制数值波动。用以经典四阶龙格－库塔法为基本迭代格式的时间推进方法求解控制方程组。电势的迭代计算采用多重网格加速收敛, 用隐式残值光滑技术改善收敛速度以及时间推进过程的稳定性。计算取得初步的成功： 电弧已经出现并可观察到电弧喷射器内的离解和电离状况以及化学不平衡、粘性等效应对流动过程的影响。     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

强制偏流喷管的数值仿真

采用薄层Ｎ－Ｓ方程成功地求解了强制流喷管内的三维复杂流场，对通量项和压力项用Ｖａｎ Ｌｅｅｒ发展的矢通量分裂法进行了离散，对离散方程采用线超松弛方法迭代求解，在亚音速与超音速气流共同存在的出口边界分情况进行了处理。计算结果验证了强制偏喷管具有自动补偿外界压力变化的能力，与实验结果基本吻合。     

跨声速压气机数值模拟格式效应研究

针对跨声速叶轮机械复杂内部粘性流动,开发了全三维高精度RANS数值求解器。分别采用FVS格式与AUSM+格式结合多种限制器对Rotor 67跨声速压气机转子进行数值模拟,分析和比较了各格式的计算效果并与试验结果对比。结果表明:与FVS格式相比,AUSM+格式的数值粘性更小,边界层的模拟精度更高;Hemker限制器的综合表现最优,Van Albada限制器的粘性分辨率略低于Hemker限制器,Minmod限制器对流动分离现象的捕捉能力较差,Van Leer限制器容易引入色散误差。     

Numerical Simulation of Rotor Flow Field Based on Overset Grids and Several Spatial and Temporal Discretization Schemes

A numerical method based on solutions of Euler/Navier-Stokes (N-S) equations is developed for calculating the flow field over a rotor in hover. Jameson central scheme, van Leer flux-vector splitting scheme, advection upwind splitting method (AUSM) scheme, upwind AUSM/van Leer scheme, AUSM+ scheme and AUSMDV scheme are implemented for spatial discretization, and van Albada limiter is also applied. For temporal discretization, both explicit Runge-Kutta method and implicit lower-upper symmetric Gauss-Seidel (LU-SGS) method are attempted. Simultaneously, overset grid technique is adopted. In detail, hole-map method is utilized to identify intergrid boundary points (IGBPs). Furthermore, aimed at identification issue of donor elements, inverse-map method is implemented. Eventually, blade surface pressure distributions derived from numerical simulation are validated compared with experimental data, showing that all the schemes mentioned above have the capability to predict the rotor flow field accurately. At the same time, vorticity contours are illustrated for analysis, and other characteristics are also analyzed.     

三维高超声速喷流干扰流场的数值模拟

采用ＬＵ隐式方法求解了有限体积法离散的完全Ｎ－Ｓ方程,数值模拟了三维高超声速喷流干扰流场。计算中采用了Ｊａｍｅｓｏｎ的当地极值递减（ＬＥＤ）格式和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,与实验结果相比较,数值方法对附体流动计算较准确,对分离区附近流场计算有一定误差。     

高升阻比翼型的设计

使用解析形状函数法和参数化翼型表示方法,将求解绕翼型流场的N-S方程解与优化方法相结合,可设计出新的高升阻比翼型.计算结果表明,设计的新翼型满足设计要求,且获得比原始翼型高得多的升阻比,翼型设计方法是实用的.参数化翼型表示法比解析形状函数法对给定的初始翼型离散数据的准确度影响更小,更适合用于新翼型的设计.     

非结构网格下含冷却孔的涡轮转子三维流场计算

在转动坐标系里,讨论非结构网格下,含多排冷却孔的涡轮转子三维流场雷诺平均Navier-Stokes方程组的求解。计算表明:含冷却孔的转子流场计算要比静子流场复杂的多。为了得到较为满意的流场数值解,本文对叶片压力面与吸力面采用了不同的湍流模式、并且还对流场迭代中初始场选取方式以及转子叶尖间隙计算站的设置等问题进行了一系列的改进。几个典型流场算例表明:初始场选取、湍流模式的合理选用对转动坐标系下获得一个收敛的三维流场数值解至关重要;另外,转子叶尖间隙站的设置直接影响着间隙附近的流场,尤其对现代高负荷涡轮转子,间隙流动的研究就更为重要。      

亚燃/超燃双重燃烧冷态掺混的数值模拟

通过求解完全的二维Ｎ－Ｓ方程组，对亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机超音燃烧室的冷态掺混合性层流流动进行数值计算，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式分析一般音速来在股超音速气流间掺混的流动特征，并用代数法生成计算网络。给出的三组算例与文献（１）的实验结果进行对比，结果令人满意。     

超燃发动机激波增强混合的数值研究

采用数值方法求解三维可压ＮＳ方程,模拟了斜激波增强超声速氢／空气混合的过程。对不同强度 激波混合增强的效率进行了比较。计算表明利用斜激波增强混合是一种行之有效的方法。     

空间推进方法求解抛物化Navier-Stokes方程及其验证

采用伪时间空间推进方法求解完全气体PNS方程。PNS方程采用有限体积方法离散,在推进方向上采用一阶精度迎风格式,在推进面的展向和法向采用三阶精度的MUSCL插值和AUSM类通量构造格式;在推进面上的伪时间推进采用二维LU-SGS迭代方法。通过算例证明,空间推进方法能得到正确的压力、摩阻和热流分布,且计算时间比时间迭代方法快一个数量级以上。