基于黏性涡模型的旋翼流场数值方法

 建立了一种适用于旋翼非定常流场特性分析的黏性涡数值方法。在该方法中:流场中的大尺度涡被离散为若干微小的涡元,通过求解涡量-速度形式的Navier-Stokes方程模拟涡元的输运等过程;黏性扩散效应采用高精度的粒子强度交换法进行计算,而桨叶附着涡以及新生涡环量采用了Weissinger-L升力面理论进行求解;为显著提高计算效率,在诱导速度及其梯度的计算中还引入了快速多极子算法(FMM)。应用上述方法,对悬停和前飞状态下的多个旋翼流场算例进行了计算,通过对比旋翼尾迹涡量特征和诱导速度分布等,验证了该方法的有效性。此外,还将本方法与旋翼计算流体力学(CFD)方法及传统的自由尾迹方法进行了比较,结果表明黏性涡方法在兼顾效率的同时,还能够更好地捕捉旋翼尾迹运动。     

驱动方腔内涡流的数值模拟

本文介绍一种求解涡度流函数形式的定常不可压缩Navier-Stokes方程的半隐式指数型差分格式。涡度方程用上述格式求解,而流函数方程用多层网格法求解。这种组合求解方式具有很好的稳定性及较快的收敛速度。本文对Re=100,400,1000,3000,5000的驱动方腔及Re=400,1000的驱动长方腔进行了数值模拟,结果与现有的计算相吻合。     

旋翼桨-涡干扰气动特性计算及参数影响研究

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动特性分析的数值方法。在该方法中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常Euler方程,以适合于分析BVI流场的特点;为便于前飞流场分区求解和信息传递,使用了嵌套网格方法;对于流场中涡线的模拟,建立了一种适用于有限体积格式的涡引入方法——广义网格速度法,以简化计算。应用上述方法对旋翼BVI流场进行了计算,并与可得到的试验数据进行对比,验证了方法的有效性。通过对比桨叶弦向位置压强的变化得出,在旋翼BVI过程中,气动载荷主要来自桨叶10%弦长内的前缘部分的压强突变。文中还进一步分析了涡强、干扰距离和干扰角度对BVI气动特性的影响。本文的BVI数值计算表明:当涡接近桨叶前缘时,升力达到最大;而涡位于后缘位置时,诱导速度改变桨叶环量分布,破坏了后缘的库塔条件,但随着涡的远离,桨叶表面环量开始重构。     

某小型发动机环形回流燃烧室流场的数值计算

采用数值模拟方法对某小型发动机回流燃烧室流场进行了计算和分析,用双方程k-ε模型描述紊流特性,用二步化学反应模型模拟化学反应,并对复杂的边界条件进行了特殊处理。计算结果表明火焰筒主燃区形成了强烈的单涡回流,沿圆周方向主燃区速度场比较相似;在油雾场和速度场之间有较好的匹配,燃烧室有较好的性能。      

颗粒两相流自由剪切层大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了可压缩流自由剪切层内颗粒两相流流场结构.气相控制方程采用二维盒式滤波法滤除小于网格尺度的小涡以得到LES控制方程,而流场中小涡对大涡的影响采用K-ωSST湍流模型模拟.在Lagrange坐标系下用颗粒轨道模型仿真颗粒运动,用双线性插值方法实现Euler坐标系到肌Lagrange坐标系的转换,并考虑了颗粒速度和温度的改变对气相流场的反作用.分析了仿真结果中气相自由剪切层的涡结构特性,不同St数颗粒在流场中的运动特性,颗粒对流场的反作用效果,得到了合理的结论.     

地面涡尾涡结构的实验研究

本文对燃气发动机地面涡尾涡的结构进行了详细的实验研究。用五孔探针详细地测量了沿两个回路的气流速度向量,从而得到了环量和涡心的位置。由环量的数值及发动机外表面流场的情况推断尾涡系具有片状结构,但大部分涡度则集中在尾涡涡核附近。这样不仅用定量的方法证明了地面涡——尾涡体系的存在,并且首次揭示了尾涡系具有片状结构,为这一新的流动现象提出了流动模型。     

二维引射—混合器流场的数值研究与验证

本文运用一维引射特性方程和不可压缩流动Navier-Stokes方程,对二维引射—混合流场进行了数值研究。首先用一维引射特性方程估算理想的引射气流流量;然后用N-S方程对混合管内的气流混合流动进行计算,用计算得到的混合管速度分布和壁面粘性剪切力来修正一维引射特性方程中的经验常数,逐次逼近真实的引射流量比。计算结果表明,本文的数值方法可以有效地预测引射流量比和混合流场。     

Multhopp网格在弯曲涡层计算中的超收敛性问题

本文从理论上分析了Ｍｕｌｔｈｏｐｐ网桥弯曲涡面积分方程求解中的数值方法和超收敛性问题;并通过算例验证,证实Ｍｕｌｔｈｏｐｐ网格应用于弯曲涡层时,的确同样具有远大于其它任何网格计算的超收敛速度。     

用确定性涡方法模拟二维钝体绕流

以离散涡方法为基础,采用粒子强度交换法模拟涡量扩散方程,对粒子场分布产生扭曲变形时采用粒子强度重分配,数值模拟了突然起动圆柱、风攻角为的方形截面和大海带东桥的流场,计算结果与解析解及其他数值方法计算的结果均吻合的很好,数值结果显示确定性涡方法的高精度的特性使其在模拟钝体扰流问题方面具有很大的优势.     

考虑湍流影响的前缘分离涡运动与破碎特性的研究

本文以Ｎ－Ｓ方程和Ｈａｌｌ涡核模型假设为基础，导出了描述湍流的涡核运动方程。利用差分计算方法，对三角翼前缘分离涡运动及其破碎特性进行了数值求解，分析了涡核流场的结构和各物理量的变化特性，反映了三角翼前缘分离涡运动及其破碎特性的实质，说明了湍流涡核方程能更有地模拟三角翼前缘分离涡运动和准确地确定涡核破碎位置，并得出了攻钐雷诺数对破碎位置的影响，计算结果与实验数据十分吻合。     

非定常动静叶干涉作用的二维数值模拟

采用涡方法研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,它利用全三维的、通道时间平均的定常解为基础解,并由此给出非定常扰动场的初始解。为计算叶片对扰动场的响应过程,采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程,用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程。用该方法对某型压气机的一级（动、静叶栅距比为１．７４）的动、静叶相互作用,进行了二维有粘问题的数值模拟。数值结果表明,该方法具有较好的收敛性和收敛速度;转子出口的尾迹和各种旋涡等非定常因素在静叶通道中的切割、迁移过程,非定常性对静叶攻角的影响以及脉动压力的振幅衰减特性也在文中作了分析。     

旋翼非定常平行桨-涡干扰流场的数值模拟

建立了一个基于Euler方程的旋翼平行桨-涡干扰流场的数值模拟方法。该方法在时间离散上使用隐式的双时间法,以避免因物理时间步长过小而引起的数值不稳定问题;为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,采用了预定涡方法。以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,计算了表面瞬时压强分布,并与可得到的试验结果相比较,验证了方法的有效性,且描述了干扰流场的气动力变化特性以及桨叶表面扰动压力波的产生和传播过程,然后分析了马赫数、涡强度、干扰距离等参数对桨-涡干扰流场特性的影响。在此基础上,得出了一些有意义的结论。     

旋翼诱导速度空间分布的一种计算方法

采用无限片桨叶的固定尾迹分析法,建立了前飞状态下固定涡系对空间一点诱导速度的数学模型,用Fourier级数表示诱导速度和环量沿方位角的变化,积分得到了含有三类完全椭圆积分的诱导速度各谐波系数解析表达式.该表达式可在给定环量分布的情况下求解桨盘内和桨盘外空间一点的诱导速度分布.基于固定尾迹理论,提出一种在前飞状态下计算旋翼环量分布的数值方法,该方法根据叶素理论、儒可夫斯基公式和挥舞运动方程推导了环量方程,将理想的无限个斜向涡柱离散成有限个斜向涡柱.通过求解有限个斜向涡柱的谐波系数得到旋翼在前飞下环量、诱导速度、挥舞系数的相容解.通过理论和对算例的计算分析,本文方法对计算旋翼平面外的诱导速度以及多旋翼系统具有工程应用价值.     

平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

采用高精度湍流直接数值模拟技术,对平板流动转捩过程中的涡系结构,尤其是Λ涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究.高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信息,以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(RANS)无法给出的精细涡结构信息.数值模拟在精确捕捉Λ涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时,发现了一些与传统认识所不同的现象:1)Λ涡并不是当地涡量集中的地方;2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域.这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战,并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究.     

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法（DVM）是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压 N-S 方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明：引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。     

基于非结构嵌套网格方法的旋翼地面效应数值模拟

 建立了一个基于非结构嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼近地流场,为更好地分析地面效应(IGE)对旋翼气动特性的影响提供一套计算方法。在该求解器中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常N-S方程,空间方向上采用二阶迎风格式,并用背景网格的一个面模拟地面作用,以方便地面边界条件的处理。应用所建立的模型,首先针对有实验结果可供对比的旋翼无地面效应（OGE）流场进行了数值模拟,以验证计算方法。然后着重计算了IGE下流场中的桨尖涡空间位置和旋翼拉力增益,并对旋翼在小速度前飞状态下的近地流场及地面涡形成过程进行了模拟和分析。在此基础上,得出了一些有意义的结论。     

共轴双桨涵道无人飞行器非定常气动特性

基于滑移网格技术和SST(shear stress transport) k -ω湍流模型,建立了模拟共轴双桨涵道无人飞行器(UAV)流场的CFD(计算流体动力学)数值方法,并通过计算风洞实验算例验证其有效性。数值模拟了共轴双桨涵道UAV在飞行过程中的动态流场,分析了涵道、飞行速度、螺旋桨转速、攻角等因素对其非定常气动特性的影响规律。计算结果表明:所建立的CFD数值计算方法适于模拟共轴双桨涵道UAV动态流场;涵道的存在显著削弱涵道螺旋桨的桨尖涡、后缘脱体涡和尾流收缩,具有较弱的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,明显减小共轴双桨涵道UAV的需用功率;随前飞速度增大,共轴双桨涵道UAV的升力和阻力同时增大;随螺旋桨转速增大,共轴双桨涵道UAV升力增大,而阻力减小;随攻角增大,共轴双桨涵道UAV的阻力增大,而升力先增大后减小。      

空中加油吊舱尾流场计算分析

为了得到空中加油吊舱尾后流场的分布特性,采用数值模拟方法对某型吊舱尾流场特性进行了仿真计算,分析了飞行高度和速度对加油吊舱尾流场分布的影响,并对计算结果进行了验证。研究结果表明,高度的变化对流场中速度矢量和涡量分布的影响较小,速度的变化对静压速度矢量和涡量的分布影响较大。     

横向喷流与超音速主流干扰流场的数值研究

 采用欧拉方程与可压缩涡对模型相结合的数值方法,研究了超音速主流与横向喷流干扰流场的气动特性。喷流横截面用一对反向旋转的可压缩涡来模拟。采用有限元Osher格式及非结构网格数值求解二维欧拉方程以得到非等熵外流场的气动特性及弓波位置。将欧拉方程数值解结果与可压缩涡对流场解结果相结合以研究喷流的轨迹及喷流横截面的变化。最后给出了数值模拟结果并与工程估算结果进行了比较,表明本文所述方法是可行的。     

等速上仰翼型绕流结构的数值模拟

通过数值求解涡量-流函数形式的N-S方程研究等速上仰翼型的分离流动结构。用ADI方法解涡量方程;用Poisson方程直接法解流函数方程。在计算得到的流场中除可看到实验中观察到的多涡结构外,还发现一些实验中未观察到的现象。将分离流动结构的计算结果与翼型气动力变化相联系,并结合涡动力学理论,定性地解释了上仰翼型产生高升力的原因。