高速平板着水数值模拟

探索和揭示物体入水冲击的流体力学现象与机理对飞行器水上迫降问题的研究有重要的参考价值。对高速平板着水涉及到的复杂物理问题展开数值模拟,采用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和标准k-ε湍流模型,流体体积(VOF)模型捕捉水气交界面,整体动网格技术处理平板与水面的相对运动。在二维楔形体入水冲击的算例验证基础上,详细研究平板高速着水引起流体喷溅、射流、空气垫等现象和平板底面压力变化历程,结果表明:空气垫现象明显,俯仰角4°平板下表面出现规律的空气泡,10°时则不存在;平板下表面的水体沿壁面运动,当俯仰角为10°时,壁面水体的运动速度显著增加;在大俯仰角的情况下明显出现负压区。     

楔形体入波浪水面数值模拟

数值模拟分析楔形体入波浪水面流体力学现象和运动姿态变化历程,为水上飞机在波浪水面起降提供技术和理论支持。基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程和SST k-ω湍流模型,结合整体动网格法的速度入口造波方法、阻尼消波法和流体体积（VOF）液面捕捉技术构造数值波浪水池,耦合三/六自由度模型,实现楔形体入线性规则波和不规则波的数值模拟。在楔形体入静水面算例验证的基础上,详细研究二维楔形体在线性规则波波峰、波谷、平衡位置-上行速度和下行速度处入水过程的受力特性和运动姿态变化。结果表明：速度入口造波方法的波浪数值解与理论解析解较吻合,偏差为1%;在二维楔形体入规则波过程中,楔形体所受垂向力和垂向速度变化趋势相同,对横向位移影响较小,其数值变化少于0.01;在平衡位置入水过程中,模型的滚转角和横向速度变化明显,其数值变化约为波峰、波谷位置处的8倍和10倍。分析原因：平衡位置处波浪内流速度变化较快,模型所受波浪力冲量较大,且楔形体两侧斜边与波浪的相互作用力也参与到模型的运动中。数值模拟二维楔形体在线性不规则波5个随机时间点入水及三维楔形体在波峰、平衡位置-上行速度处入水过程,其变化规律及形成原因与入规则波相似。     

含运动边界二维多体干扰流场的数值模拟

本文采用二阶精度Godonov扩展方法求解非定常：Euler方程，以基于格心的自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，空间和时间都是二阶精度，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，对作俯仰振动的NACA0012翼型绕流及激波管中运动、静止圆柱的流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步对含多体分离流场进行数值模拟打下了基础。     

运动边界非定常全速流场的数值模拟

将预处理引入到ALE格式的非定常可压缩N-S方程中,发展了一种能有效模拟含运动边界的三维非定常全速流场的数值方法.控制方程在非结构动态网格上用双时间步推进并用隐式、LU-SGS迭代求解;提出了一种特征变量的边界条件以适合预处理后的特征系统.几个典型算例的结果表明,预处理方法将可压缩流方法的计算能力拓展到了低马赫数范围,有效地提高了收敛速度和计算精度.     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

基于IBVCM的二维非定常动边界数值模拟研究

主要研究了影响非定常动边界问题的一些基本参数并分析了其与推进力的关系。数值模拟采用格子波尔兹曼方法求解流场信息,并用浸入边界速度修正方法进行边界处速度的修正。研究对象为二维情况下摆动的鱼,影响推进力的参数有鱼体的形状、频率、波长、雷诺数。通过对各个参数的一系列模拟,得出其对推进力的不同影响关系。本文总共选取五种形状的鱼体,其运动模式为鱼体中线以行波的方式做横向摆动。最后,从涡的角度分析鱼的尾尖在不同位置时鱼体表面涡的分布情况,得到旋涡变化与鱼身运动的相互关系。通过研究发现,不同形状的鱼推进力不同,在高频、增大波长、增大雷诺数时,推进力增大。     

阵风响应及减缓的非定常数值模拟

基于网格速度和动网格方法,通过求解非定常N-S方程计算翼型副翼偏转时的阵风减缓响应,研究开环控制律参数和副翼缝隙对阵风减缓效果的影响。对于单个1-cos阵风,随着偏转角度的增大,减缓效果变大;由于粘性的影响,CFD计算得到的升力峰值减小量明显呈非线性的趋势,减缓效果低于准定常线性理论。对于连续sin阵风,通过调整副翼偏转的频率和最大偏转角,升力能达到很好的减缓效果,此时,副翼偏转频率应接近阵风频率,最大偏转角存在一个最优值。在阵风环境下,副翼间隙对升力系数影响不大,而力矩系数增大一倍,间隙会降低副翼偏转对升力的减缓效果。     

一种高效的组合动导数分量数值模拟算法

基于传统网格速度法,发展了在流场网格不变的情况下,数值模拟沉浮运动、纯俯仰运动和俯仰振荡运动的算法,提出了一套直接求解旋转阻尼导数和洗流时差导数的方法,该方法不需要实时更新网格,减少了计算时间和所需内存,避免了负体积的出现。首先通过NACA 0006的阵风响应和NACA 0012翼型的强迫俯仰振荡,验证了程序和方法的正确性;然后数值模拟了BFM(basic finner missile)标准模型的沉浮运动、纯俯仰运动和俯仰振荡运动,并计算了其旋转阻尼导数、洗流时差导数和组合动导数,所得结果与动网格方法和风洞试验值吻合,最大误差不超过4%,进一步验证了该方法的正确性。     

基于DDB的二维/轴对称三波交汇流场数值模拟

采用运动间断边界拟合算法,在运动网格下求解二维与轴对称欧拉方程组,对脱体激波、锥面波、三波交汇等多种稳态波系进行数值模拟,精确得到了多种典型激波形状、波后流场及波系结构。本文提出的运动间断边界拟合算法,系基于经典计算流体力学方法、R-H运动间断条件、运动边界条件和Delaunay背景网格技术,由指定的网格块边界拟合待求激波,并以网格分块方式解决多道波相交问题。通过引入轴对称形式欧拉方程组,直接将此算法推广至轴对称流动领域,并精确拟合了锥面波相交问题。算法精度高,易于在CFD程序基础上实现,可用于超声速飞行器进气道压缩面、唇口设计以及乘波体设计。     

基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算

 通过求解 Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间上采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向应用含隐式子迭代的双时间法推进求解。为了验证程序的正确性,数值计算了一有升力悬停流场,旋翼桨叶表面压力分布的计算值与实验值吻合很好。     

基于VOF方法模拟离心式喷嘴内部流动过程

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,得到了液相填充喷嘴内部的过程,初始时刻,气液界面出现褶皱,随着进入液体的增多,褶皱逐渐消失;着重分析了喷嘴各个部位速度、压力分布,由于气液两相的存在,喷嘴内部流场变得异常复杂,流场分布不能用单相流的模式分析,总压损失大部分存在于喷嘴收缩段以及直管段,增大收缩段锥角、减小收缩段长度有利于减小总压损失;在喷嘴出口处设置一定扩张角,能够增加液相速度,减小液膜厚度,有利于雾化.      

磁控进气道二维性能计算

超燃冲压发动机进气道通常都是针对某一特定的马赫数进行设计的,当飞行马赫数不在设计马赫数时发动机性能急剧降低,磁控进气道的应用很有可能解决这一技术难题.对磁控进气道内的流动情况进行了二维数值模拟.飞行马赫数大于设计马赫数时采用磁控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点,并减小燃烧室入口处的马赫数.分析了霍尔效应对磁控进气道性能的影响,结果表明分段电极可以有效减小霍尔效应的不利影响.      

高速角接触球轴承腔内气液两相流模拟分析

基于轴承腔内气液两相流流动模型,采用VOF方法和MRF模型对高速角接触球轴承简化模型内润滑油的流动特性进行数值计算,获得腔内速度、压力以及润滑油分布情况。分析轴承转速和润滑油进口流量等参数对油液体积分数的影响,以及轴承腔内润滑油的流动轨迹和润滑油进入腔内的影响机理。结果表明:轴承高速转动阶段,润滑油在滚动体和保持架的搅动作用,在腔内局部形成漩涡不利于润滑油的流动;轴承腔内两相流场的环间压力具有周期性特点,喷射润滑油很难穿过环间压力进入腔内;腔内油液体积分数随轴承转速的升高而降低,随供油量的增加而增加,呈非线性关系;喷射角度对环间油液体积分数和滚道油液体积数的影响很大,选择合适的喷射角度能够得到更好的润滑效果。该研究结果对高速轴承润滑设计提供了一定的参考依据。      

轴对称及二元喷管RCS的数值模拟

利用物理光学迭代法独立设计程序,采用前后向算法并结合欠松弛因子加速收敛,提高运算效率.通过计算简单标准模型的雷达散射截面(RCS)验证了程序的可靠性.在此基础上,对两种不同宽高比二元喷管简化模型及轴对称喷管简化模型的RCS进行了计算并加以分析比较.结果表明,程序具有较好的计算精度和通用性,在较大范围的姿态角内,二元喷管简化模型的RCS高于轴对称喷管简化模型的RCS.      

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.      

多旋流器阵列贫油直喷燃烧室流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)对于同旋向多旋流器阵列贫油直喷(LDI)燃烧室流场进行了数值模拟.计算结果表明,9个旋流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离旋流器阵列的下游,形成了一个大的总体旋流.流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能.通过将RSM的模拟结果与激光多普勒测速仪(LDV)测量值进行比较发现,RSM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题.      

用非线性涡粘性模式计算三维湍流边界层

针对非线性涡粘性模式在求解三维湍流边界层流动时的不足，本文从压力－变形率关联项中的快速项出发，考虑流动非均匀影响，在显式代数应力模式的雷诺应力表达式中引入了反映雷诺应力“松驰”效应的速度二阶导数项，构造了一个新的非线性涡粘性模式。通过对典型算例－翼体角隔流动的计算结果表明，新模式能较好地再现出三维湍流边界层内雷诺切应力方向的发展滞后于速度梯度方向发展这一流动特性。     

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.