基于物理知识约束的数据驱动式湍流模型修正及槽道湍流计算验证

对湍流摩擦阻力的精准预测是学术界和工业界普遍关心的重要问题，而数据驱动式的湍流模型修正方法对此显示出较大的潜力和前景。提出了一种基于物理知识约束的数据驱动式湍流模型修正方法，根据湍流摩擦阻力分解获得先验物理知识，在S-A湍流模型的生成项中引入非均匀分布的修正因子，以修正因子为设计变量，设定包含物理知识约束的目标函数，利用离散伴随方法求解目标函数与设计变量之间的梯度关系，通过高效率的迭代求解获得修正因子的分布。以槽道湍流为例，验证了包含物理知识约束的数据驱动式建模方法的优势，并分析了物理知识约束对湍流摩擦阻力预测精度的影响，结果表明引入物理知识约束可进一步提高湍流摩擦阻力的预测精度。     

Jameson/TVD格式应用旋翼翼型绕流分析

以一种常见的旋翼翼型为例 ,探讨了两种旋翼桨叶翼型绕流数值模拟方法 ,即 Jameson有限体积中心格式和有限体积通量修正 Jameson/ TVD混合格式。这两种格式的方法都采用有限体积法进行离散 ,并用龙格—库塔时间推进法求解。通过算例分析 ,比较了这两种方法的特点 ,为进一步有效地依靠求解湍流 Navier-Stokes方程来模拟完整的旋翼流场、旋翼阻力与功率奠定了基础     

Euler及N-S方程的二维四边形网格自适应算法

描述了一种基于贴体网格的Euler和N-S方程自适应算法。采用中心有限体积法,对Euler及N-S方程进行数值求解,N-S方程的计算中加入了基于SA湍流模型的DES模型。在流场中,运用了网格自适应算法,提高了数值计算对激波、流动分离、涡等特性的捕捉和分辨能力。采用上述方法,数值分析了单段翼型的绕流问题。文末给出的2个二维问题的对比算例表明本文方法有效。     

湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

用二方程湍流模型对湍流射流场的数值计算

在许多工程问题中,利用Prandtl混合长度模型计算复杂类型的湍流射流问题已经不能满足要求。本文利用二方程湍流模型,以Raw Sinha等提出的计算射流及尾迹流平均流场的隐式有限差分方法为基础,建立了可用于二维及轴对称可压缩湍流射流场的计算方法。最后,以两个不同类型的同轴湍流射流场作为算例进行了流场计算,其结果与实验符合良好。     

一种超声速射流计算方法与实验验证

高温射流流场计算是尾焰辐射目标特性计算的前提,然而由于缺少可靠实验数据,针对湍流超声速射流的数值模拟多集中于低温射流,高温射流计算与实验的对比工作还很少见。利用k-ωSST双方程湍流模型,模拟了多个典型超声速射流实验的流场速度与温度分布,通过与实验结果进行对比,建立了一种超声速射流计算方法。首先,通过对比多个低温射流的实验与计算结果,探索了湍流模型中可压缩修正以及来流湍动粘性比对超声速射流计算结果的影响;进而,针对火箭发动机尾焰实验,计算尾焰流场与流场红外辐射,流场辐射计算结果与实验观测结果符合较好,进一步验证了计算方法。最终认为经过可压缩修正的k-ωSST双方程湍流模型结合湍动粘性比取值30可以作为超声射流计算中较为典型的湍流计算方法。     

多重网格加速的LUSGS算法用于喷管流场数值模拟

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用独特的显式算法克服了两方程湍流模型刚性对流场计算收敛速度的影响,并给出了该方法的理论依据。通过轴对称喷管内流场、二元喷管内外流场的数值模拟验证了采用以上方法在计算效率上的提高。最后将RNG模型计算结果与SA模型计算结果及实验数据做对比分析。     

雷诺应力模型在三维湍流流场计算中的应用

从雷诺应力模型出发,通过求解雷诺平均N-S方程组获得三维湍流流场的数值解。计算中比较了多种湍流模式,并进行了相应的流场计算。本文完成了两个典型算例。从算例1的计算结果与实验值比较中发现:采用雷诺应力模型(RSM)计算的三维流场比采用k-ε模型更贴近实验值;算例2采用了RSM模型及三维非结构网格,对一典型内流问题进行了三维流场计算。算例的数值实践表明:采用雷诺应力模型可以有效的计算各向异性的湍流流场;另外,发展非结构网格有助于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。      

火箭冲压发动机反应流场数值模拟

用偶合算法求解三维定常椭圆型Ｎ－Ｓ方程组,计算了火箭冲压发动机内部的湍流反应流场。用有限体积法离散控制方程,用块隐式法求解离散后的代数方程组。湍流流动用ｋ－ε模型描述,湍流燃烧采用掺混控制的局部瞬时不混合模型。实践表明,尽管密度场变化剧烈,仍能快速收敛。算例中网格点数为３９×１３×１８。计算出的燃烧效率符合实验结果。     

基于Van Leer＋AUSM混合格式求解三维N-S方程

基于多块粘性结构网格,开展了三维N-S方程数值算法的研究。控制方程的空间离散采用有限体积法,在前人工作的基础上,发展了Van Leer＋AUSM混合格式并应用到对流通量的离散中,粘性项采用中心格式离散并利用格林定理计算粘性通量中的导数项,时间推进采用五步R-K法,湍流模型为S-A一方程模型。最后,以M6机翼和某超声速弹丸的粘性流场作为数值算例,计算表明：发展的数值算法对跨声速、超声速流场均具有较高的分辨率,适用于跨、超声速流场的数值模拟。     

Automated design methodology of turbulent internal flow using discrete adjoint formulation

An optimal shape design approach is presented for a subsonic S-shaped intake geometry using aerodynamic sensitivity analysis. Sensitivity analysis is performed for the three-dimensional Navier–Stokes equations coupled with two-equation turbulence models using a discrete adjoint method. For code validation, the result of the flow solver is compared with experimental data and other computational results. Through the study on turbulence models and grid refinement, results from several turbulence models are compared and the minimal number of grid points yielding an accurate numerical solution is obtained. And, the adjoint sensitivity code is also validated by the comparison with complex step derivative results. To obtain a sufficient and flexible design space, NURBS equations are employed as a geometric representation and a new grid modification technique, Least Square NURBS Grid Approximation is applied. With the verified flow solver, sensitivity analysis code and geometric modification technique, the optimization of the S-shaped intake is carried out and the enhancement of overall intake performance is achieved. In addition, the off-design performance of a designed S-shaped intake is tested to confirm the robustness of the current design approach. As a result, the capability and efficiency of the present design tools are successfully demonstrated in three-dimensional high Reynolds subsonic intake design.     

Automatic differentiation based discrete adjoint method for aerodynamic design optimization on unstructured meshes

A systematic methodology for formulating, implementing, solving and verifying discrete adjoint of the compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations for aerodynamic design optimization on unstructured meshes is proposed. First, a general adjoint formulation is con-structed for the entire optimization problem, including parameterization, mesh deformation, flow solution and computation of the objective function, which is followed by detailed formulations of matrix-vector products arising in the adjoint model. According to this formulation, procedural components of implementing the required matrix-vector products are generated by means of auto-matic differentiation (AD) in a structured and modular manner. Furthermore, a duality-preserving iterative algorithm is employed to solve flow adjoint equations arising in the adjoint model, ensur-ing identical convergence rates for the tangent and the adjoint models. A three-step strategy is adopted to verify the adjoint computation. The proposed method has several remarkable features:the use of AD techniques avoids tedious and error-prone manual derivation and programming;duality is strictly preserved so that consistent and highly accurate discrete sensitivities can be obtained; and comparable efficiency to hand-coded implementation can be achieved. Upon the cur-rent discrete adjoint method, a gradient-based optimization framework has been developed and applied to a drag reduction problem.     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

大型民用飞机气动外形典型综合设计方法

基于自主研发的飞行器气动外形大规模并行化、分布式综合设计软件AMDEsign，开展了大型民用飞机气动外形多目标综合设计，研究了处理高维目标空间多目标优化问题的有效处理方式，为优化数学模型的合理确定提供数据参考。在此基础之上，基于软件AMDEsign的主分量分析（PCA）、离散伴随方法两个典型模块，对宽体飞机数字化模型开展多目标优化，其中离散伴随方法中引入虚拟可行解集逼近方法，为权系数提供有效的导向性选择；并进一步将结果进行多目标评估分析，设计结果表明，主分量分析能够有效识别目标函数的相关性，虚拟可行解集方法效率较高，充分利用了离散伴随效率高以及导向性权函数预测等优点，多点设计外形在巡航升阻比、抖振特性以及阻力发散等性能上具有明显改善。文中提出的综合设计方法简捷高效且具有较强的工程应用价值。     

环形燃烧室冷态流场数值模拟中的数学方法

针对带双级径向旋流器环形燃烧室火焰筒,研究不同紊流模型(standardk-εmodel,RNG(renormalization group)k-εmodel和代数应力模型(algebraic stress model))及算法(SI MPLE(semi-i mplicitmethod for pressure-linked equations),PISO(pressure i mplicit split-operator))对复杂流场求解准确性及效率的影响.火焰筒三维贴体网格采用型线定点与偏微分方程相结合的方式生成,用壁面函数法处理近壁区域流动.计算结果表明,PISO算法提高求解效率;不同紊流模型预测结果均与试验数据符合较好,其中代数应力模型最为准确,更适用于复杂流场的数值预测.      

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

湍流模型对喷流计算精度的影响研究(英文)

采用三维RANS代码MBNS3D对包含了内流、外流及后体干扰的三种简化尾喷流,进行了数值模拟研究。通过壁面压力分布及喷流截面速度型与实验数据的对比,研究了SA和SST两种湍流模型及其修正(SACC,SADES,SSTCC)对喷流计算精度的影响。本文计算表明,SSTCC模拟效果最为精确;利用SA模型进行脱体涡模拟,在同样的网格下优势不明显。湍流模型可压缩修正改善了模拟喷流的膨胀趋势,但对附面层分离位置的预测,在本文的工作中,还不如原始模型。两类模型相比,SST模型的结果好于SA模型。     

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。