能量粒子进入磁层的数值模拟研究

来自行星际的能量粒子进入磁层的过程一直是磁层研究的热点,也是空间天气研究关注的焦点之一,而以往的工作大都集中在讨论不同行星际条件下粒子进入磁层的统计规律.本文在T89磁层模式的基础上,建立了太阳能量粒子进入磁层运动的程序,计算了几种不同能量的质子从不同方位角入射到磁层的运动轨迹.模拟结果表明,能量粒子沿着磁力线方向才可能穿越磁层到达地球表面,越偏离这个方向,则越早被反弹.能量越高的粒子进入到地球磁层上空的角度范围越大,但仍然只有沿着磁力线入射的粒子才能到达地球表面.这些结果与理论预言是一致的.      

耀斑激波传播的数值研究

采用一维磁流体力学模型和激波装配法,分析耀斑激波在行星际空间的传播特性和激波下游区的波动结构,并就激波装配法和激波捕捉法的模拟结果的精度和可靠性进行比较.     

带肋变截面回转通道内流动与换热的数值模拟

开发了三维流动换热的通用计算程序,数值研究了带肋变截面回转通道内流动与换热的特性.湍流模型采用低雷诺数k-ε模型.通道肋间距为25mm,肋高分别为1mm,1.5mm,2mm,冷气进口雷诺数Re分别为7500,12500,18500,25000.计算结果表明:①通道的平均努赛尔数均随进口雷诺数的增大而增大;②对于Re=7500和12500,肋高越高,换热越强;对于Re=18500和25000,肋高为1.5mm的通道换热最强;③局部雷诺数的不同和离心力的影响导致通道内各区域的局部换热随肋高的变化趋势并不一致;在进口段,肋高越高,换热越强;在出口段,当Re=7500和12500时,肋高越高,换热越强,而当Re=18500和25000时,存在最佳肋高1.5mm.     

高马赫数内埋武器分离特性数值模拟研究

高马赫数（Ma>2）武器舱剪切层和激波更强,其流动特性与通常的亚、跨、超声速武器舱也有所不同,从而可能导致内埋武器的分离特性也不同。基于非结构混合网格流场解算器NNW-FlowStar,在前期针对高马赫数空腔流动模拟建立的改进HLLE++格式和自适应混合网格技术的基础上,采用数值模拟手段对比分析了Ma=4和Ma=2时的内埋武器分离特性,研究了环状板、横柱、锯齿和圆柱阵列等不同前缘流动控制措施对高马赫数（Ma=4）武器分离特性的影响,为高马赫数内埋武器的安全分离方案设计提供指导。研究表明：高马赫数（Ma=4）时,由于武器舱流动特性和武器舱前缘激波的激波角的不同,导致起始时刻内埋武器与武器舱之间的通道效应和分离过程的激波干扰不同,使得高马赫数（Ma=4）时内埋武器的姿态角和俯仰力矩与马赫数为2时差异较大;采取前缘扰流措施后,内埋武器的抬头趋势有所减弱,偏航角有所减小,有利于导弹的安全分离。     

板料成形数值模拟接触搜索模型的研究

基于参数曲面描述法和有限元网格描述法,提出模具几何形状模型的曲面单元描述法,采用了逐级更新的接触搜索算法,推导出求交迭代初值优化选择方案及满足无穿透原理的接触判断准则,并建立了板料成形数值模拟接触搜索模型,此模型不仅改善了数值模拟的收敛性,而且提高了计算效率和稳定性.     

重力波波包相互作用时空演变的数值研究

本文设计了一种研究二维空间中重力波波包共振相互作用演变的数值模式.利用此模式获得二个大振幅重力波波包通过碰撞而发生的完整的相互作用过程.数值结果表明,能量上行重力波可以通过波-波相互作用激发能量下行重力波;在相互作用的时空演变过程中,3个波包的能量收支情况和相互作用的强度具有局地性;由于考虑了空间传播效应,相互作用过程不再具有周期性,而是出现一个具有不同物理含义的相互作用特征时间,这个新的相互作用特征时间和相互作用最终的发展程度不仅由相互作用系数和初始波包振幅决定,还受到波包空间尺度和波包群速度的相对大小控制.     

太阳风--磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.     

1998年5月2日日冕亮度观测图的数值研究

采用数值手段模拟了1998年5月2日日冕亮度观测图.计算模式改进为球坐标系下特殊的二维理想磁流体(MHD)模型,即把(γ,φ)坐标建立在SOHO观测日冕亮度的子午面上,消除了子午面极区的几何奇异性.根据SOHO日冕观测布置磁极子得到初始磁场位形,内边界条件采用自洽的投影特征线边界条件,计算迭代出稳态的多冕流磁场结构,得到了与观测基本一致的亮度图.计算结果表明在太阳表面附近磁场位形对太阳风等离子参数分布起控制作用.     

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明：当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.     

Rayleigh-Taylor不稳定性非线性特性的数值研究

以往对于单模态Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性非线性特性的研究主要集中于推导和测量恒定的气泡推进速度上,而缺乏对液态尖钉区域非线性动力学特性的详细分析。采用耦合的Level-Set和Volume-of-Fluid（CLSVOF）界面捕捉方法对单模态RT不稳定性的发展过程进行了精确的数值模拟,并利用模拟得到的压力场和速度场信息对RT不稳定性非线性发展阶段的稳态动力学特性进行了分析。模拟结果表明,在液态尖钉根部由于惯性力作用而引起的水平冲击流会在此处形成一个局部最大压力点,由于此处惯性力与压强梯度的平衡,位于最大压力点附近的流动最终将达到稳态。通过理论分析,确定了此稳态流动中各稳态特征参数与初始扰动波长、惯性加速度之间的关系。这些特征参数的确定有助于将经典低速射流的相关理论扩展应用到RT不稳定性诱导雾化的研究领域。     

压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析

利用Numeca CFD对某一压气机静子叶栅的间隙流动进行流场计算,并将其与具有圆弧斜槽处理结构的间隙及流场计算结果进行对比、分析.详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征.结果表明,通过采用机匣处理,改变了压气机气流流路,形成叶尖漏流的通道,减少漏流下洗对叶片通道造成的阻塞.叶尖附近主流在叶盆尾缘气流高压作用下进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流,该高速射流有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失.这种籍助于动量交换而形成高速射流对主流的作用可能是机匣开槽结构改善失速裕度的主要原因.      

低雷诺数涡轮内部流场分析

利用三维数值模拟手段研究涡轮内部流动.对比分析了不同飞行高度工作时涡轮内部流场结构的差异,以反映雷诺数的降低对流动结构和性能的影响.结果表明:在高空工作环境下,雷诺数下降近一个量级,负荷分布发生变化,叶片吸力面发生大范围分离,二次流以及径向掺混明显增强,由此导致涡轮性能恶化,效率急剧下降,这些因素在低雷诺数涡轮气动设计中需给予更多的关注.同时指出,负荷分布形式的选择对低雷诺数涡轮设计有重要意义.     

旋转方位角对斜肋通道内部流动与换热的影响

数值模拟了静止及旋转状态下径向出流60°斜肋通道的内流动与换热分布,研究了3种旋转方位角:0°,-45°及+45°.分析了哥氏力与肋片对旋转通道内流及换热的耦合作用机理.计算结果表明:旋转方位角对通道的内流与换热影响显著.在0°旋转方位角下,通道前后缘的换热差异最大;在-45°方位角下,通道整体换热性能最差;在+45°方位角下,通道具有最佳的整体换热性能.     

旋转附加力对方通道内流动与换热的影响机理

在雷诺数为25000,旋转数为0~0.24,温度比为0~0.22的范围内,数值模拟了旋转光滑径向出流通道的内流动与换热分布,分析了哥氏力与离心浮升力对旋转管流的耦合作用机理.计算结果表明,切向哥氏力推动了通道截面内的双涡二次流,径向哥氏力则使得近侧壁流体加速和中心流体减速.离心浮升力对流动与换热的作用效果与哥氏力场的分布密切相关.换热计算结果从定性趋势上吻合公开文献中的实验现象,反映了旋转附加力的基本影响规律.     

集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响

为了研究集气腔总压对电弧喷射推力器工作过程的影响,在分析其工作机理的基础上采用化学非平衡流动和稳态电磁流体电磁场模型对不同集气腔总压下推力器工作过程进行了数值模拟.流体力学方程组和电磁场方程考虑了多种流动机理及电磁场与高温电离气体的相互作用,化学动力学模型考虑了各种碰撞反应.采用二阶精度NND格式求解流体力学方程组,采用有限速率化学反应模型计算组分生成率,采用交替方向隐式(ADI)超松弛迭代法求解电磁场离散方程.给出了不同集气腔总压下推力器内部参数分布及其宏观性能.研究表明,集气腔总压对推力器工作过程具有多方面的影响,在保证电弧稳定的情况下,适当提高集气腔总压可同时提高比冲和推进效率.     

阻尼网特性数值模拟

依靠经验公式和工程估算等传统方法,无法对阻尼网性能进行精确评估.为确定阻尼网压力损失系数和降湍性能,采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对阻尼网进行了模拟.使用数值模拟能够得到不同开孔率阻尼网在不同雷诺数、不同入射方向、不同目数的损失系数,与试验结果更为接近,在30°~45°大角度入射时得到的损失系数更为精确;在入射气流与阻尼网平面呈一定夹角时,阻尼网后的气流压力和速度呈现脉动趋势,传播距离大约为100d;在雷诺数小于40时流动保持层流状态,扰动传播距离为50d,此时降湍效果最好,随雷诺数增加,扰动传播距离增加至400d;在流动未失稳时,开孔率越低,降湍效果越明显,开孔率低于0.5时流动容易失稳;开孔率保持不变,随目数增加阻尼网损失系数增加明显,降湍能力提升.因此可以根据数值模拟结果选择阻尼网的最优参数.     

复杂薄壁零件板多级充液成形及过程数值模拟

板充液成形已被证明是制造复杂零件一种有效的方法.采用板多级充液成形方法对难成形复杂薄壁结构的飞行器零件进行了研究,利用有限元数值模拟的方法,分析了预成形凸模形状、预成形深度,以及液室压力等关键工艺参数对成形的影响.对成形中出现的诸如破裂、起皱等失效形式进行了探讨,给出了终成形时实现成功成形的最高液室压力区域范围.提出了控制成形质量的措施,优化了工艺参数,并根据数值模拟的结果进行了试验验证.结果表明,模拟结果和试验结果达到了较好的一致.      

中心进气复杂旋转盘压力特性的实验研究

中心进气具有两个出口的旋转盘系统中静盘表面沿半径方向的静压分布由实验方法获得.针对转速、冷却气体流量以及叶片冷却孔的存在与否对腔内流动特性的影响进行了分析.结果表明:在本实验范围内,静盘表面静压沿半径方向先减小,后增大.静盘表面静压随着总流量的增加而增加,随转速增加而降低.当减少盘面出流孔的数量时,静盘表面静压将会增加.当冷却气体流量较大时,盘腔内不能形成明显的旋转核心.     

定常压力梯度边界层相干结构的直接数值模拟

根据流动稳定性理论,将不稳定波的一个周期作为相干结构的初值,采用直接数值模拟方法对有压力梯度湍流边界层中相干结构的演化进行了研究,得出其各种特性的变化与实验观测到的结果一致.     

喷管分离流动及其侧向载荷

利用商业软件CFX对某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动进行了三维数值模拟.计算获得了喷管入口总压从8MPa减小到1MPa时的流场参数分布和侧向力载荷情况.结果表明,随着入口总压的降低,喷管内流场会依次经历自由激波分离和受限激波分离两种分离激波模态.受限激波分离模态下喷管壁面压强具有较大波动,再附着点压强甚至高于环境压强.流动分离情况下,喷管将受到一定侧向载荷作用,载荷方向随机分布.入口总压为4MPa时计算得到的侧向载荷最大,实际侧向载荷峰值可能出现在自由激波分离与受限激波分离转换瞬间.