三维可压和不可压缩流动数值模拟的一种预处理多重网格方法研究(英文)

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

基于改进SST模型的分离流动数值模拟

对SST湍流模型进行了改进,并通过对典型分离流动进行数值模拟,来检验和提高模型预测分离流动的能力.基于亚声速分离流动,提出了提高雷诺应力的模拟精度和分离流修正的改进方法,并进行了对比研究得出结论;在亚声速分离流动分析结论基础上,采用了可压缩性修正方法,开展了跨声速、超声速和高超声速激波/边界层干扰分离流动的数值模拟研究.结果表明:提高雷诺应力的模拟精度和采用分离流修正明显地提高了SST湍流模型对分离流动的模拟能力;适当地可压缩性修正对超声速和高超声速分离流动的计算精度有改善作用.     

方腔流动气动噪声边界散射数值预测方法研究北大核心CSCD

方腔流动噪声问题因其流场变化复杂且剧烈而倍受关注,本文主要开展高亚声速方腔流动气动噪声数值预测方法研究。基于任意边界条件的格林函数解和Lighthill声模拟理论,提出可以考虑空间边界影响的气动噪声积分计算方法。数值模拟包含流动和噪声计算两部分,通过二阶精度的DDES模型进行流动数值模拟,边界积分方法计算散射声场分布。数值结果显示声场分布随时间呈现周期性变化,与流场的脉动及其脉动周期一致。观察点的声压级随频率逐渐下降且在谐波频率突然增大。本文计算结果与高精度计算气动声学方法计算结果相符,表明该方法合理、可靠,并且具有较高的计算效率。     

方腔流动气动噪声边界散射数值预测方法研究

方腔流动噪声问题因其流场变化复杂且剧烈而倍受关注,本文主要开展高亚声速方腔流动气动噪声数值预测方法研究。基于任意边界条件的格林函数解和Lighthill声模拟理论,提出可以考虑空间边界影响的气动噪声积分计算方法。数值模拟包含流动和噪声计算两部分,通过二阶精度的DDES模型进行流动数值模拟,边界积分方法计算散射声场分布。数值结果显示声场分布随时间呈现周期性变化,与流场的脉动及其脉动周期一致。观察点的声压级随频率逐渐下降且在谐波频率突然增大。本文计算结果与高精度计算气动声学方法计算结果相符,表明该方法合理、可靠,并且具有较高的计算效率。     

超燃燃烧室流场计算方法比较分析

采用准一维流动模型、轴对称方程、三维数值模拟方法结合13组分、32反应氢燃料反应机理计算了"等直段+扩张段"燃烧室内超声速燃烧问题.结果表明准一维流动模型与三维数值模拟方法的计算结果反应了主要气动参数变化规律;除预燃激波串区域外,计算数据与试验数据吻合良好;准一维流动模型计算快速、适应性强;三维数值模拟方法给出了详细流场细节,所需计算时间长.针对两种模型特点,在超燃燃烧室设计过程中应有机结合协同工作.      

低雷诺数翼型层流分离现象大涡模拟方法

为准确预测翼型低雷诺数条件下出现的层流分离流动现象,发展了基于结构化拼接网格的大涡模拟方法。控制方程为Favre滤波Naver-Stokes方程,并选用多种亚格子模型。空间离散采用AUSM格式以及高阶WENO格式,时间推进采用显式方法和隐式方法。以SD7003翼型在雷诺数60 000及4°迎角下的层流分离流动为研究对象,对比分析了数值格式、亚格子模型、网格尺度对流场预测结果的影响。数值结果表明:划分的计算网格能够有效解析小尺度流动结构,基于隐式亚格子模型、采用AUSM格式和双时间步推进的大涡模拟方法能够准确预测流动分离、转捩、再附等复杂流动现象,计算得到的平均压强系数与雷诺应力分布与文献数据吻合较好。与转捩模式计算结果对比进一步表明:发展的大涡模拟方法能够准确预测翼型低雷诺数层流分离流动非定常演化过程,为下一步的研究工作建立了有效的数值模拟手段。     

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

充气式翼型绕流大涡模拟分析

针对多梁式充气机翼阿翼型,采用大涡模拟方法对其表面的复杂流动进行了数值仿真研究,得到了其迎角在0°-20°时的流动情况和气动力特性,并与其他仿真结果和风洞试验结果进行了比较分析。结果表明：采用大涡模拟方法得到的计算结果与风洞试验结果较为吻合,可以更好地模拟充气式翼型的表面流动情况。     

进气道射流流动控制数值模拟优化研究

编写质量流量边界条件程序代码,通过求解N-S方程对平板微质量射流流动控制进行数值模拟,并与相关资料进行对比分析,验证代码的正确性。结合中心复合设计方法制定数值模拟方案,对双S型进气道微质量射流流动控制进行数值模拟,并分析了25组射流流动控制装置应用于进气道流动控制计算结果,从中找出控制装置参数变化对进气道总压恢复、出口（AIP）流场畸变的不同影响,应用响应面法给出射流控制最佳参数组合,为双S型进气道主动流动控制装置参数优化提供了技术参考。     

Evaluation of thermal effects on temperature-sensitive operating force of flow servo valve for fuel metering unit

The temperature-induced variation in operating force of flow control valves may result in performance degradation or even jam faults of fuel metering unit (FMU), which significantly affects the safety of aircrafts. In this work, an analytical modeling approach of temperature-sensitive operating-force of servo valve is proposed to investigate the temperature characteristics in varying temperature conditions. Considering the temperature effects, a new extended model of flow force is built and an analytical model of valve friction is also derived theoretically based on the dynamic clearance induced by thermal effects. The extremum condition of friction is obtained to analyze the characteristic-temperature points where jam faults occur easily. The numerical results show that flow force increases firstly and then decreases as temperature increases under a constant valve opening. The maximum friction of flow servo valve can be uniquely determined when the structural parameters and ambient temperature are given. The worst situation just happens at the characteristic-temperature points, which are linearly related to the axial temperature gradients of valve spool. Such evaluations may give an explanation for the temperature-induced jam faults of vulnerable valves and provide a reference for designers to determine a suitable working-temperature range of valves in practice.     

高空通风活门内流场特性数值模拟和试验验证

为准确掌握大通风量条件下高空通风活门工作特性,以高空通风活门为研究对象开展流场特性数值仿真分析技术研 究,对不同膜盒间隙的高空通风活门内部流场进行对比分析,获得了不同入口质量流量条件下高空通风活门的压降特性曲线。结 合滑油系统附件试验器改造,利用小量程与大量程体积流量计组合形式实现纯空气体积流量的测量,开展了高空通风活门压降试 验,并将试验结果与数值仿真分析结果进行对比验证。结果表明：仿真分析结果与试验结果吻合较好,流场特性仿真分析方法可 用于高空通风活门压降特性预测,现有高空通风活门在不同膜盒间隙下内流场特性相似,其压降主要集中于膜盒间隙处,改善膜 盒间隙处结构,可有效降低压降。     

吸气式组合发动机进口转换阀门通用特性的计算

讨论了转换阀门的特性通用表达式。采用了工程实际上可以接受的无粘流动模型以及气体流过阀门时产生的各种损失,气体流过阀门时的落后角的模型。考虑了在片状阀门流通通道内气流的临界堵塞流动的模型与计算方法,以便能作改变阀门开度时的变几何阀门的性能计算。     

任意翼型有小分离气泡跨音速绕流的迭代算法

 本文给出一种带小分离气泡的任意翼型粘性跨音速绕流的计算方法,采用有粘-无粘干扰迭代的概念。无粘流的全速势方程用AF差分格式在保角变换法生成的计算网格中求解,粘流附面层方程用C-S盒式法求解,用逆算法消除分离点处的奇性。本文对Ma_∞=0.8,Re_∞=2×10~6,迎角α=3.5°和4°的NACA64A010翼型粘性绕流进行了计算,结果与实验相比较,吻合良好。     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

Numerical study of a 3.5-stage axial compressor at on-and off-design conditions

Numerical investigation is conducted on a 3.5-stage axial compressor,on which numerous experimental projects were carried out at the Institute during the last years and an experimental database was established.In the current study five on-and off-design operating points are simulated using a RANS solver and the results are compared with the measurement.The result shows that the compressor performance can be qualitatively predicted by the mixing-plane method.Better agreement is obtained for the on-design operating point.However,as the flow unsteadiness is insufficiently considered,the numerical method produces end-wall low-speed flow layers accumulated with the flow passing through the passage,which is in no good agreement with the experimental data.In the numerical simulation the rotor rows receive less work and this difference from the measurement increases with the rotational speed.In contrast,the stator rows increase the pressure more efficiently than the measurement.In the simulation the flow in the last stator row tends more to separate on the pressure side of the blade.For the operating points close to the surge line,the predicted separation is more intense than the experimental observation.But for the operating points close to the choke,the separation is suppressed.      

大攻角机翼的气动弹性计算方法

 本文利用大攻角带分离流机翼的完全非定常非线性气动力计算方法,通过与机翼运动方程的同时求解,在时间域内实现了大攻角机翼非线性气动弹性的数值模拟,根据弹性机翼各种状态下的运动过程,可以得到大攻角机翼的颤振速度等重要参数以及亚临界、超临界等飞行状态的运动规律。算例结果表明,大攻角下机翼的气动弹性问题需引起足够的重视。     

某气动阀式脉冲爆震发动机进气道流动特性研究

 对某气动阀式脉冲爆震发动机(PDE)亚声速进气道进行了试验和数值仿真研究,分析了该进气道在冷流条件和点火条件下的流场结构和工作特性.结果表明,在冷流条件下,通道内整流锥上游的流动较顺畅,无可见分离存在.但在点火条件下,爆震波的干扰使得进气道出口的压强呈周期性振荡,其峰值压力达300 kPa以上.由于气动阀并没有起到有效的隔离作用,爆震波在进气道出口平面形成的压力扰动会逐渐向上游传播,并在2 ms内越过气动阀,导致进气道进口出现了高速整体倒流,其倒流时间占据了约半个周期,且瞬时倒流马赫数最大可达到0.8.本文还对冷流条件和点火条件下的进气道流场进行了数值模拟,仿真较好地模拟出了该进气道的试验条件,且进气道内流动与试验基本一致.非定常仿真结果进一步表明了该进气道在爆震高压扰动下会出现整体高速倒流的现象.由于进气道进口的瞬时倒流形成了较大的反向冲量,对爆震发动机的推力特性极为不利,故必须在下一步的研究中对气动阀进行改进.     

不同压比下冷却剂流量对塞锥再生冷却换热的影响

为了解塞式喷管发动机高低空不同的再生冷却换热特性,分别对二维型面内喷管和塞锥建立计算模型,采用数值模拟的方法,得出内喷管的冷却换热结果和出口参数,重点研究了塞锥在地面和设计点工作时的不同换热特性及其冷却剂流量的影响.计算过程中采用二阶迎风格式离散控制方程.计算结果表明:地面工况下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度和温度的影响较大,高空环境下,冷却剂流量的改变对塞锥和塞锥底部壁面的压强、热流密度的影响较小;在冷却剂流量相同的情况下,塞锥和塞锥底部在地面工况下的壁面温度要远高于在高空环境下的温度;在相同工况和相同冷却剂流量的情况下,塞锥壁面上的温度要远高于塞锥底部壁面上的温度.     

A transient bulk flow model with circular whirl motion for rotordynamic coefficients of annular seals

Bulk flow model with perturbation simplification has been used to calculate rotordynamic coefficients in annular seals which have significant influences on the dynamic behavior of rotors in turbomachinery. In this work, a transient bulk flow model with arbitrary rotor motion is developed, and the boundary conditions and friction factor in the model are calibrated with steady Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. The numerical solution scheme is developed based on the finite element method to obtain the transient reaction force in the seal clearance. With a periodic circular rotor orbit, the transient forces at multiple whirling frequencies are used to evaluate the rotordynamic coefficients. The leakage flowrate of CFD analysis has good agreement with experimental results and the calibrated parameters in bulk flow model are dependent on operating conditions. Although CFD calibration improves the accuracy of the perturbed bulk flow model, the direct damping is overestimated and the cross-coupled damping is underestimated. Compared with the perturbed model, the predictions of the transient bulk flow model are more agreeable with the experiment.