烧蚀外形方程差分计算方法研究(Ⅱ:耦合计算)

研究了气动力、热、烧蚀非耦合和耦合计算情况下的烧蚀外形,发现它们之间有很大差别。非耦合计算得到烧蚀外形为凹陷外形,而耦合计算得到的是双锥外形,后者与飞行测量结果完全一致。将CFD中的NND格式引入烧蚀外形计算,替换传统的人工粘性项方法,有效消除了较大折转处的非物理波动,得到了满意的烧蚀外形计算结果。     

烧蚀外形三维粘性流场数值模拟

本文通过求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了三维奶头型烧蚀外形粘性流场。差分格式为Yee和Harten的迎风隐式TVD格式,在空间方向具有二阶精度。计算得到了高质量的激波和合理的流场结构。物面压力分布与实验结果进行比较,符合较好。     

NND格式在航天飞机头部段N—S方程求解中的应用

本文采用实质上为二阶精度的无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)求解了非定常的二维和三维完全N-S方程,对类似于航天飞机头部外形的超声速粘性气体绕流流场进行了模拟。在计算中,使用了代数网格生成技术,对脱体激波采用了装配法。作为验证算例的二维圆柱绕流计算结果同文献[4]的数据进行了比较。二维凹陷外形绕流的计算结果同无粘流结果进行了对比,由于粘性流动出现了分离,二者的壁面压力是有差异的。最后,对三维外形的绕流也进行了模拟,计算结果提供了流场的细节。     

Burgers方程高精度差分格式分析

以非线性扩散波动方程Burgers方程为模型,通过调节方程右端粘性项的大小,在分析了方程的性质的基础上.探讨方程左端项和右端项差分离散格式匹配问题,以及高精度格式稳定性影响和计算格式精度与粘性系数和计算网格之间的关系等问题.研究结果将对方程左右端项离散时应如何采取合适的差分格式有一定的指导意义.     

再人体复杂外形无粘流场数值计算研究

本文在文[1,2,3]的基础上研究了非定常Euler方程的推进迭代方法,并将无波动、无自由参数的耗散差分格式(下称NND格式)发展为隐式、迎风格式,用以计算有差曲控制翼的再入复杂飞行器的育攻角、有侧滑角的超声速无粘绕流流场。其结果是准确的。本文的方法具有以下特点: 1.可以在同一计算程序中实现亚跨超流场的计算:在超声速区域,采用推进技术;在亚跨声速区,则自动选择推进迭代求解技术。 2.NND格式不仅具有公式简单,无自由参数的特点,而且过激波时满足熵条件,不会产生非物理解,也不发生振荡。 3.隐式差分格式的无条件稳定和Gauss-Seidel迭代的快速收敛,计算省时。 本文的方法曾用于烧蚀头部凹陷外形和航天飞机简化外形的计算,能自动选择迭代和推进区域。可以预言,如计算机条件许可,本方法可以用于大攻角的无粘流场计算。     

基于人工粘性的间断Galerkin有限元方法

发展了一种基于人工粘性的间断Galerkin有限元方法,作出改进以增强适应性,并向非均匀网格推广.选取了典型算例对方法进行验证.一维激波管算例表明,改进的方法在保持计算结果高分辨率的同时,能够更好地抑制非物理振荡.分析得知,当人工粘性方法用于二阶DG格式时,所得计算结果的数值耗散较大,而当格式精度大于二阶时,采用人工粘性方法所得的结果的分辨率较高.通过计算圆柱高超声速粘性绕流,将三阶DG格式与三阶MUSCL格式和五阶WENO格式的结果进行对比,结果表明,该人工粘性方法对于高超声速流动计算也具有一定的优势.     

烧蚀对再入体绕流电子数密度影响的数值研究

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,采用分区求解的方法数值模拟含泰氟隆烧蚀产物的高超声速再入体流场.首先计算分析了RAM-C飞行试验状态和一个考核算例,对计算方法和程序作了初步验证.其次耦合烧蚀壁面边界条件和流体控制方程,采用19组分28个反应的化学反应模型,对有、无烧蚀情况下高超声速钝锥体再入绕流及底部流场进行了数值模拟,深入分析了烧蚀产物对再入流场电子数密度及温度分布的影响.     

烧蚀外形转捩流动的数值模拟

本文采用雷诺平均Navier-Stokes方程和修正Baldwin-Lomax代数湍流模型,以Roe二阶流通量差分分裂格式进行离散,数值模拟了典型烧蚀外形的高超声速流场,重点讨论了流动转捩的判定及其与复杂流态的关联.结果表明:数值模拟出的球钝锥外形转捩点位置与工程估算结果符合较好;对工程估算中存在困难的奶头状凹陷烧蚀外形,数值模拟也可给出符合流场结构的转捩点位置.     

适用于气动学问题的DRP类有限差分方法

研究了一类低耗散低色散的高阶精度有限差分方法,目的是直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题.采用的数值方法是空间四阶、时间三阶精度的色散关系保持(DRP:dispersion-relation-preserving)类有限差分格式,通过波动方程算例验证了格式模拟波动问题的能力;采用加变幅值的高波数人工耗散项来抑制高频数值振荡,使得该格式可推广用于含激波、初始间断或非线性波动的问题.通过含激波、初始间断条件的算例验证了所用变幅值人工耗散的有效性,最后作为初步应用计算了二维亚、超音速均匀流中简单点声源辐射问题,得到了很好的结果,表明此类方法在气动声学问题计算上深有潜力.     

烧蚀外形方程的理论分析

本文首先给出了常用热流计算公式的规范形式,然后应用一阶非线性偏微分方程的特征理论分析了烧蚀外形的基本特性,探讨了外形斜率的间断问题,与此同时,给出了计算烧蚀外形的简单计算方法。最后,作为烧蚀外形方程的一个特解,导出了平衡形状的解析式。本文还对这砦计算方法,给出了典型算例。     

带芯子的碳—碳端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了数值仿真，考察了碳－碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律，重点研究了将碳－碳端头体轴附近材料换成由另一种烧蚀速度较快的材料制成的芯子后的匹配烧蚀问题，揭示芯子对烧蚀外形的影响规律。     

小不对称烧蚀外形的典型化处理方法

给出了一种能够用于统计分析飞行器再入大气层时，头部烧蚀而产生不对称形变过程的数学模型，烧蚀外形采用典型化处理方法。通过对美国ＮＲＶ样例的试算表明，头部形变的主要参量与实测数据符合较好。     

电弧加热器试验条件下端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了仿真计算，考察了碳-碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律。重点研究了电弧射流的非均匀性对烧蚀外形的影响以及表面粗糙度对边界层转捩和气动加热的影响。     

用有限元显式算法解具有烧蚀动边界的传热问题

本文借助于运动坐标系用显式有限元算法求解烧蚀动边界的传热问题。通过坐标变换,在变换平面内确定固定的有限元结点,物理平面内对应的结点随边界的烧蚀而运动。在线性插值函数模式下温度的时间导数在三角形单元中处处相等的假设下导出有限元方程的显式计算格式。对横观各向同性材料的端头帽在再入飞行中的烧蚀和瞬时温度场的计算结果与用有限差分法计算的结果相互吻合。     

刷式封严结构泄漏特性的数值研究

为了简化工程设计,将刷束区域处理为多孔介质模型并建立控制方程,其区域内压力对空间坐标的导数作为动量方程中的源项,推导出动量源项中的黏性损失系数和内部损失系数,从而建立了模拟刷式封严结构泄漏流动的多孔介质模型。采用FLUENT软件对刷式封严结构的泄漏特性进行数值模拟,并根据试验结果对计算模型进行修正,使计算结果与试验结果比较吻合。用修正的多孔介质模型对刷式封严结构的泄漏流场进行了分析,分析结果具有一定的工程意义     

跨声速机翼非定常气动力的全位势粘位迭代计算

采用Ｃ－Ｈ型网格,守恒型非定常全位势方程的时间精确近似因式分解差分地计算二维,三维的跨声速非定常位势流,用准定常,准二维方法计算边界层位移厚度,通过粘位迭代得到的跨声速翼型,机翼的非定常气动力,所得结果与实验数据吻合很好。     

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。     

发汗冷却弹头内腔流动的简化计算

 q—热流;L_v—蒸发潜热;ρ—密度;P—压力;T—温度;h—静焓;s—多孔壁表面积;t—时间;ψ—调节系数;（?）—冷却剂流量;m—冷却剂总质量;（?）—渗透率;μ—粘性系数;（?）—弹头头部半径;R—气体常数;H—总焓;M—分子量;z—压缩系数。 下标:ω₁—外壁面值;ω₂—内壁面值;g—气体值;ι—液体值;γ—辐射值;E—冷却剂蒸发组元值;ex—外流值;in—内流值;la—层流值;tur—湍流值;s—驻点值;c—冷却剂值;air—空气值。     

钝体前激波的数值模拟

本文通过直接求解N-S方程,研究激波问题,对是否可以和如何用直接求解N-S方程来处理超跨声速流进行了探索,在对粘性项的处理建立可压缩流体的压力校正方程和计算方法等方面均提出并实施了新的方法,最终得到了基本合理的数值计算结果。     

高超声速钝头体边界层转捩试验

为研究高超声钝头体边界层转捩以及头部钝度对转捩的影响,在FD-14和FD-14A两座激波风洞中开展了热流、压力扰动和高速纹影显示等综合测量。试验结果表明,转捩雷诺数关于钝度雷诺数的变化显示出转捩反转的趋势。压力扰动的功率谱密度（PSD）分析结果以流向离散分布云图形式显示,边界层高速纹影图像显示了第二模态波的发展、湍流的生成和熵层对边界层结构的显著影响。大头部钝度带来的强熵梯度熵层流动对边界层压力扰动频谱特性和流动结构影响显著,在转捩反转机理中起到重要作用。此外,马赫数对转捩的影响不容忽视。