解析壁面函数的可压缩效应修正研究

基于适用于不可压缩流动的解析壁面函数,针对可压缩湍流边界层特征,考虑壁面网格内对流项变化和能量方程中黏性耗散项的影响,提出一种适用于可压缩流动的解析壁面函数。基于二维超声速和高超声速激波湍流边界层干扰流动,完成了粗网格高雷诺数k-ε模型加标准壁面函数、原始解析壁面函数、可压缩修正解析壁面函数和密网格低雷诺数Lauder-Sharma k-ε模型的对比计算。结果表明:四种湍流效应模拟策略都可以准确预测壁面压力和摩擦系数,而本文发展的考虑对流项分布和黏性耗散项影响的解析壁面函数不仅消除了原始解析壁面函数的非物理振荡,而且大幅提升了壁面函数壁面热流的预测精度,与密网格解最大差异不超过40%,预测结果接近于密网格低雷诺数模型结果,而标准壁面函数和原始解析壁面函数预测的壁面热流符号相反,且数值最大差异达500%。对于Ma5斜激波边界层干扰算例,本文构造的壁面函数计算时间仅为低雷诺数模型的5%左右,相较于其它壁面模型,计算时间仅增加了1%。     

喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

Menter转捩模型在高超声速流动模拟中的改进及验证

通过压力梯度参数和湍流普朗特数的修正,对Menter等构造的低速经验关系式转捩模型进行了改进,将基于局部信息的Menter转捩模型用于高超声速流动转捩数值模拟。在多个高超声速尖锥转捩流动模拟中,对改进后模型的可靠性进行了检验,算例考核了不同壁面温度、来流湍流度、流向压力梯度等多种流动条件。结果表明,数值计算和风洞试验的壁面温度、温度恢复因子和热流等符合得较好,修正后模型较好地模拟了转捩起始位置和转捩区长度,在高超声速边界层转捩预测中具有一定潜力。     

可压缩性修正湍流模型的高超声速飞行器流场模拟研究

采用经可压缩修正后的标准k-ε湍流模型对一类高超声速飞行器模型的气动特性进行了研究。计算中主要考虑了马赫数和飞行攻角的影响。计算结果表明,通过可压缩性修正,标准k-ε湍流模型能准确捕捉激波结构和复杂的压力变化规律;在激波系和预压缩面间构成的流动域内形成了高压均匀流动,实现了飞行器设计目标;在激波结构和激波发展趋势方面,计算结果和实验数据符合得很好,而两者在前体预压缩面上的压比值方面略有差异;经可压缩性修正后湍流模型的计算结果要明显优于原始湍流模型,可作为高超声速气动计算的有效方法。     

大膨胀比火箭发动机喷管流动分离与气动弹性分析

以某大膨胀比的最大推力喷管为分析对象,研究其在分离状态下的气动响应性能.利用有限体积二阶迎风插值格式及SA湍流模型,结合二层增强型壁面函数,分析喷管内部的流动状态,详细讨论了该喷管流动中出现气流分离模态由自由激波(FSS)到受限激波(RSS)的变化情况.采用弱耦合CFD/CSD分析的方法,计算分离状态下喷管壁面瞬态的气...     

超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

涡轮叶片U型冷却通道旋转流动特性模拟

为了研究发动机涡轮叶片U型通道在旋转条件下的流动特性,采用 Fluent 中双精度速度压力耦合求解器的简单算法,湍流模型采用k-ω SST模型,压力动量项和密度项用二阶迎风差分格式数值计算,能量项用快速格式计算,建立了旋转条件下涡轮叶片U型通道内的数值模拟方法,分析对比了静止条件下和旋转条件下U型通道内的流动特性。结果...     

基于SST湍流模型的模拟SRM内流场数值仿真

为准确模拟固体火箭发动机燃烧室内流场,采用基于格心的迎风型有限体积法求解定常雷诺平均Navier-Stokes方程,在空间离散方法上,采用AUSM-PW矢通量分裂格式,时间推进采用三阶三步TVD型Runge-Kutta显式方法,将Ment-er F R提出的SST( shear-stress-transport)湍流模型及其改进形式用于燃烧室湍流流场的数值模拟,并将计算结果与Wilcox的和Spalart-Allmaras湍流模型进行了对比。结果表明, Menter F R的SST湍流模型计算的燃烧室内的径向速度分布与实验值吻合得最好,最大误差约为5.1%;计算的燃烧室内湍流强度分布与实验的规律一致,而其余湍流模型计算的结果与实验值有很大差异。     

火箭整流罩外气动噪声环境的大涡模拟研究

基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式构造隐式大涡模拟方法（ILES）,对跨声速来流条件下（Ma=0.8）火箭整流罩外噪声环境进行数值模拟。通过与风洞试验结果及国外文献进行对比,ILES方法能够在较粗网格下准确预测壁面湍流脉动特性。跨声速流动在壁面折角处出现分离、再附、激波/边界层干扰现象,均方根脉动压力系数出现峰值,同时该区域噪声能量在全频段都较高,易引起结构抖振效应。最后,根据ILES模拟结果,指出工程常用的外噪声经验公式的不足,并提出改进措施。     

展向行波状Lorentz力的波数对壁湍流控制的影响

展向行波状Lorentz力可以有效调制湍流近壁流动及减少壁面摩擦阻力。为了解行波波数在壁湍流控制中的影响,并进一步揭示该方法的减阻机理,本文利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟（DNS）,对槽道湍流的展向行波状Lorentz力控制和减阻问题进行了研究,讨论了展向波数kz对近壁流动及壁面阻力的影响。结果表明,当展向行波状Lorentz力诱导的流场被用来调制固有的近壁湍流流场时,固有流场和诱导流场同时受到调制。Lorentz力的展向波数对流场调制效果具有显著影响。通过波数的选择,引进新的涡结构,可以调制条带结构的展向间距与强度,影响近壁流体的湍流猝发活动,从而调制壁面摩擦阻力的大小。     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法,将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明,高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题,对层流流动下的对流传热,不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响,而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用;对湍流问题,除了上述层流流动各项对热流密度的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义,高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。     

Influences of the turbulence model and the slot width on the transverse slot injection flow field in supersonic flows

Transverse slot injection scheme is very important for the mixing process between the air and the fuel in supersonic flows. The effect of the turbulence model and slot width on the transverse slot injection flow field has been investigated numerically based on the grid independency analysis, and the predicted results have been compared with the experimental data available in the open literature. The obtained results show that the grid scale makes only a slight difference to the wall pressure profiles for all jet-to-crossflow pressure ratios employed in this study, and the wall pressure profile with low jet-to-crossflow pressure ratio is predicted accurately by the RNG k–ε turbulence model, the SST k–ω turbulence model for the flow field with high jet-to-crossflow pressure ratio. High jet-to-crossflow pressure ratio can increase the jet penetration depth in supersonic flows, and the gradient of the length of the upstream separation region is larger than that of the height of the Mach surface. At the same time, when the jet-to-crossflow pressure ratio is maintained constant, the jet penetration depth increases with the increase of the slot width.     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

高超声速绕平板上直立圆柱流动特性研究

以平板上直立平无限谪圆柱体为研究对象，采用和Ｒｏｅ三阶通量差分分裂格式求解雷诺平均Ｎ－Ｓ方程，数值模拟研究了高超声速且壁面有传热条件下三维流流场的激波边界层干扰特性，物面压力分布计算值与值吻合良好，数值模拟结果可见圆柱上游分离区流场是一个马蹄形五涡结构且存在有二次分离激波，这是一种值得深入研究的流动新现象。     

斜切反喷管性能分析

固体火箭发动机前端斜切反喷管，其结构简单、作用时间短、气动型面具有尖点，并在超音速区有台阶，喷管内存在一系列激波，并伴有流动分离现象。本文从雷诺平均的非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，结合采用Ｂｏｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，利用时间相关法及ＭａｃＯｃｏｒｍａｒｋ两步显格式求解，模拟了斜切反喷管流场。计算得到的壁面压强分布与风洞吹风实验测得的压强分布相一致。该方法可应用于斜切反喷管的     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计,文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N-S方程,采用非结构网格的有限体积方法进行了求解;空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式;紊流模型分别采用了S-A一方程模型M-SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题,为平流层飞艇设计提供参考依据。     

增强高超声速化学反应流数值计算的稳定性方法

针对高超声速化学反应流数值模拟中包含源项对角化雅可比矩阵的数值格式稳定性很差的问题,在对采用上下对称的高斯-赛德尔(LU-SGS)格式的离散方程进行线性稳定性分析的基础上,提出一种依据流动状态对流场的块网格进行局部加密的方法,以增强流场数值计算稳定性。在高超声速流场中,对包含激波后亚声速高温区域的块网格给予加密,而其他区域中的块网格可以适当进行网格粗化或保持不变。算例结果表明,相比于初始网格,局部加密后的改进网格并不会产生过多的网格量,而且能够采用较大的柯朗-弗里德里奇-列维（CFL）数以达到数值求解过程中稳定计算和快速收敛的目的。     

高超声速复杂流动中的限制器效应数值仿真

从理论分析和数值计算两个方面,对计算流体动力学(CFD)计算中常见的几种MUSCL型迎风式限制器耗散特性进行了研究,包括superbee限制器、van Albada限制器和两种minmod限制器。首先从理论上证明minmod限制器可以是耗散性较小的压缩型限制器,前人关于minmod限制器完全是耗散型限制器的认识是不准确的。其次,通过NACA0012翼型绕流计算表明,限制器耗散特性会对数值计算收敛过程产生重要影响,耗散性越小,如superbee限制器,则收敛越困难。第三,通过一个有实验结果的24°压缩拐角高超声速复杂流动数值计算,进一步澄清了前人关于minmod限制器耗散特性的不准确认识,得到了与理论分析相一致的计算结果,即 minmod 限制器可以是耗散性比Albada限制器更小的压缩型限制器。计算结果表明,对于包含强激波的高超声速复杂流动,本文使用的minmod限制器比superbee限制器和van Albada限制器更容易满足稳定性和高精度的计算要求。     

流体式高超声速可调进气道流动机理及工作特性分析

针对基于二次流控制的定几何高超声速可调进气道设计概念,给出了其具体的流道实现方案,而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在马赫数4~6范围内的可实现性,获得了其工作特性,并对弯曲激波后的总压损失特性、二次流的能量获取及消耗机制等流动机理进行了专门分析。结果表明：该流体式可调进气道能够依靠自身高压驱动二次流来实现对口部波系的调节,使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高24%以上,总压恢复提高7%左右,且最大二次流消耗量只占了进气道捕获流量的1.6%左右。另外,虽然弯曲激波的波后总压和马赫数分布表现出了一定的不均匀性,但是其平均总压恢复系数与相同倾角平面激波相比下降不大。二次流循环流动所消耗的机械能由外部外流剪切力做功补充,而二次流注入会使当地边界层的速度型变得瘦弱,形状因子增大。