Dynamic modeling and simulation of a pressurized system used in flight vehicle

For a typical pressurized system with a novel dual-stage gas pressure reducing regulator, a system model is established with modular models of various typical components. The simulation study on the whole working period shows that the general trends and magnitudes of simulation curves are in agreement with experimental measured curves. As the key component in the pressurized system, the regulator is studied by a series of numerical simulations to reveal the influences of various structure parameters on its stability. Furthermore, the variable ranges which can guarantee the stability of regulator and system are obtained to provide guidance for design. The modeling and analysis approach can be applied to other systems and components.     

叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值模拟

本文发展了 1套模拟叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值方法。在成熟的空间离散方法基础上 ,提出了 1种高效的双时间步隐式时间推进方法 ,并构造了一种保证守恒的动静叶交界面处的数值通量计算方法。本文对某三维亚音速涡轮的动静叶干涉进行了数值模拟 ,结果与实验符合较好。     

Simulation of the secondary air system of turbofan engines: Insights from 1D-3D modeling

Focusing on the internal flow and heat transfer analysis, a platform for the performance evaluation of the Secondary Air System (SAS) is developed. A multi-fidelity modeling technique has been developed in a turbofan engine model under different flight conditions. A turbine blade cooling model which integrates external heat transfer calculations and coolant side modeling with common components is proposed. In addition, the Computational Fluid Dynamics (CFD) method is selected to capture the complex flow field structure in the preswirl system. The validity of the SAS models is compared with publicly available data. An elaborately designed cooling system for the AGTF30 engine is analyzed through three main branches. It is found that the 1D-3D modeling technique can provide more accurate predictions of the SAS for the AGTF30 engine. The results demonstrate the versatility and flexibility of the SAS models, thereby indicating the capacity of meeting most of the demands of flow and thermal analysis of the SAS.     

三维分块非结构化网格上的可压缩流计算方法

提出了分块非结构化网格生成方法,通过子块划分、子块网格划分、整体网格拓扑连接生成可局部加密的分块非结构化网格,既具备了非结构化网格对复杂区域的处理能力,又避免了分块结构化网格块间信息传递的复杂计算过程.通过将密度修正值引入压力修正方程,发展了非结构化网格上可压缩流动的SIMPLE算法.对孤立翼型及透平叶栅的流动进行了数值计算,压力系数、速度、折转角的数值结果与已有的实验值吻合较好,验证了数值方法的精度.      

任意非正交曲线坐标系中湍流的数值计算

本文旨在运用张量分析理论,结合成熟的SIMPLE算法,发展一种适用于复杂几何形状内湍流流场数值求解的方法。假设流动为二维单连通域内的等温、不可压、定常、无化学反应、单组分湍流流动,采用双方程湍流模型。由雷诺平均的湍流控制方程的基本形式[1,2],结合张量分析理论。      

一种改进的流场计算加速收敛方法

探讨了二维非结构网格无粘流场计算的加速方法。在对残差平均和多重网格这两种主要加速方法进行分析后,提出了一种改进的兼具多重网格思想的残差平均方法。经对绕NACA0012翼型无粘流动计算的验证,收效明显。在几乎不增加计算量的情况下,比原有的残差平均方法可减少迭代步25%～30%.该思想可推广用于三维、有粘流动计算和结构化网格中。     

基于遗传算法的压气机叶型优化设计

建立了一套将遗传算法和流场数值模拟技术相结合的压气机叶型优化设计系统,针对进口高亚音的压气机叶型进行优化。通过准三维叶栅通道计算程序进行流场数值模拟,评估叶型气动性能。选取了与叶型形状和气动性能密切相关的三个变量作为优化参数,按照可控扩散叶型的设计标准构造了优化目标函数。数值计算结果表明优化叶型的气动性能有了明显提高。对优化前后的叶型进行了叶栅吹风实验对比,进一步验证了优化效果。     

Altix 450在三维定常N—S层流数值模拟计算中的并行计算效率研究

在共享内存服务器Altix450上,应用Fluent流体计算软件进行三维定常N—S层流数值模拟计算,研究了该系统的加速比,并行效率和可扩展性;在对网格数为500万和1000万的两次计算对比中发现,当网格数据大的时候,该系统并行优势明显。结果表明,大型的共享内存服务器在计算流体力学中对解决复杂流场数值模拟越来越重要,符合未来计算流体力学高性能计算的要求。     

单级跨音速压气机三维非定常粘性流动计算

本文以数值求解雷诺平均非定常N-S方程方法完成了单级跨音速压气机动静叶相干三维非定常粘性流动计算,给出了高分辨率NND格式的时间推进有限差分解。对某跨音速单级压气机进行了定常和非定常流的详细数值计算,设计转速下定常粘性流场计算所得到的性能参数与实验结果吻合较好。在此基础上,对最高效率状态进行了动/静叶相互干扰的非定常流动计算,并对结果进行了分析。      

基于Bayes方法的民机冗余系统可靠性评估

民机中常通过冗余设计提高系统的可靠性,研究冗余系统的可靠性评估具有工程实用性。民机故障发生具有随机性,本文采用马尔可夫链描述民机冗余系统的状态变化;考虑到民机可靠性信息较少,要充分利用多源信息,运用Bayes方法对两设备组成的冗余系统进行可靠性评估。假定设备故障间隔和维修时间均服从指数分布,在不同的先验分布下,评估了该冗余系统的平均无故障工作时间,并计算了相应的稳态可用度。针对具体数值例,采用蒙特卡罗仿真方法,评估了民机冗余系统可靠性,并对仿真结果进行了分析。     

基于分子运动模拟的微喷管流体流动

深入研究微喷管内流场性能有助于微推进系统的优化设计.在高克努森数条件下,运用直接模拟蒙特卡罗方法模拟微喷管流动过程,对不同入口温度下的拉伐尔喷管流场进行二维数值模拟,模拟结果表明随着入口流体温度的升高,由于黏性力的增强,微喷管的推力减小而比冲增大.对微喷管的三维数值模拟表明,推力效率随着喷管蚀刻深度的减少而降低,微喷管蚀刻深度的增加将使三维壁面边界的影响降低.      

APFSDS弹托分离干扰三维流场数值模拟

通过应用多块复合网格生成法的网格生成技术,对尾翼稳定脱壳穿甲弹 (APFSDS)的外形进行适当简化后,生成了三瓣弹托对称分离的三维贴体网格.在此网格生成的基础上,对其分离过程应用TVD有限体积格式进行了三维流场数值模拟,并将气动力计算结果与风洞实验结果进行了对比,结果表明数值计算结果合理.这为新一代的尾翼稳定脱壳穿甲弹的设计与研制提供了一定的参考与帮助.     

谐振式陀螺全角模式误差来源与接口技术

全角模式是谐振式陀螺的新型接口技术，具有直接测量角度、动态范围大的优点，但其对陀螺元器件对称性要求极高的缺点限制了它的实际应用。首先，从谐振式陀螺全角模式的原理出发，讨论了各种不理想因素对全角模式运行造成的问题。然后，从器件设计和控制系统两方面出发，讨论了可行的技术路线。最后，通过数值仿真的方法证明了理论分析的正确性，并给出了谐振式陀螺的选型和控制系统的建议。     

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

民机燃油箱惰化流场的数值仿真及其特性分析

根据民机燃油箱冲洗惰化过程的特点,基于FLUENT软件开发了一种用于燃油箱惰化流场数值仿真的计算方法。将方法的计算结果与国外文献中公布的理论模型计算结果和实验数据进行了对比,验证了方法的正确性。对两种采用不同喷口、通气口布置的矩形燃油箱的惰化过程进行了数值仿真计算,分别给出了惰化80 s和2 400 s时的氧浓度分布云图,并进行了对比分析,说明方法在优化设计喷口、通气口位置以达到最优的惰化性能方面有较大优势。     

气体运动论BGK格式的翼型绕流数值模拟

以气体运动论BGK(Bhatnagaar-Gross-Krook)格式为基础,通过改进非均匀网格下的通量计算方法,把气体运动论BGK方法应用到二维贴体网格上模拟了可压缩的无黏和黏性流动。在重构阶段,以交界面周围4个网格单元为一组,先把每个网格单元的宏观量(密度、动量和总能量)转换在相对于交界面的坐标系下,然后使用van Leer限制器插值求出交界面的宏观量,在求解阶段再使用BGK理论求出流过交界面的通量。通过上述方法使贴体网格和均匀网格,在计算格式上一致,与其他求解二维贴体网格的气体运动论BGK方法相比,该方法相对简单,计算量减小。结合贴体网格通量计算和气体运动论BGK格式方法理论,分别对亚、跨、超声速下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟和对比研究,所得可压缩无黏流动的数值结果与北大西洋公约组织航天研究与发展咨询组(AGARD)的结果吻合良好。本文还模拟了低雷诺数状态下的可压缩黏性流动,所得结果与文献中的数值计算结果吻合良好,证明了该方法在数值模拟及激波捕捉方面具有鲁棒性,为在复杂流动中的应用提供了一种简单的途径。     

阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征的蒙特卡罗数值模拟

本文对阿波罗指令舱稀薄气体动力学特征进行了蒙特卡罗直接模拟（ＤＳＭＣ）。采用中点数值逼近法确定模拟分子与物面碰撞点，利用网格编号将三维计算问题一维化，把流场入口处的分子补充与分子排序有效结合，利用分子横穿流场次数确定流场稳定前的时间步长计算次数。简化了计算过程，大大节约了计算机时和内存。给出了指令舱从自由分子流到过渡区不同Ｋｎｕｄｓｅｎ数、各攻角下的气动特征。模拟结果与有关理论、实验数据相比，证实     

有间隙涡轮叶栅壁面流谱实验与数值模拟研究

对具有 3 .6 %相对叶顶间隙的涡轮叶栅进行了壁面流动显示和三维流场数值模拟 ,分析了大叶顶间隙涡轮叶栅的壁面流动特点 ,从数值模拟上特别对尾缘附近的壁面流动结构进行了详细讨论。实验与计算结果表明叶栅尾缘附近的流动是非常复杂的 ,同时由于叶顶间隙的存在 ,上下尾缘附近的壁面流谱明显不同     

一种计算再生冷却推力室温度场的方法

为了能够快速而准确地得到再生冷却推力室的温度分布,建立了一种计算再生冷却推力室温度场的方法。首先建立了轴对称推力室的一维冷却模型,并使用换热经验公式,得到了推力室壁面在轴线方向上的温度分布;其次建立了推力室的冷却套二维导热模型,使用数值模拟的方法和一维计算的结果,得到了冷却套的温度场。然后使用这种方法研究了气壁材料、气壁厚度和冷却液流量对推力室再生冷却的影响,获得了比较满意的结果。从计算时间和准确性来说,这种方法能够为推力室的优化设计和性能估算提供参考。      

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.