基于PSE的单股剪切混合流稳定性分析

将抛物化稳定性方程(PSE)方法应用到可压缩单股剪切混合流的稳定性研究中.采用并发展了适用于自由剪切流的高精度数值方法,包括六阶紧致格式、坐标变换以及渐近边界条件等,对PSE进行有效求解.通过求解相似边界层方程得到更准确的剪切层内基本流;求解线性稳定性理论(LST)控制方程得到扰动的初始条件,并通过流向空间推进方法对扰...     

射流破碎的线性不稳定性分析方法

线性不稳定性分析是目前处理柱状射流及复合射流破碎的最常用理论方法之一。该方法基于流体力学基本方程和边界条件,利用线化小扰动法和正则模法开展相关研究,能够成功预测实验中发现的不同流动现象和规律。线化小扰动法的原理是将非线性问题中涉及的物理量分解成零阶近似和小扰动,代入原非线性方程并略去高阶小量,从而使非线性问题转化为一阶近似的线性定解问题。正则模法是将小扰动量分解成一系列模态的叠加(比如Fourier级数形式),使每个模态都满足线性系统,从而将线性定解问题转化为求解广义特征值问题。正则模法适用于具有对称性的流场,根据小扰动的演化情况,可以分为时间模式、空间模式和时空模式。本文回顾了射流及复合射流线性不稳定性分析方法的主要内容和具体实施步骤,并选取流动聚焦这一代表性的微细射流生成技术,概述了线性不稳定性分析方法在实际中的应用,最后对已取得的相关成果进行了总结。     

非平行边界层C型失稳的非线性演化(英文)

提出用抛物化稳定性方程(PSE)新方法,研究非平行边界层从层流向湍流转捩的C型失稳的演化过程,特别是非线性演化问题。研究了至关重要的初始条件,包括各扰动谐波的初始解、初始站均流变形的模拟、以及通过对线性 PSE 的求解获得 TS波和C型亚谐扰动的初始站值等。发展了高精度的数值方法,满足PSE的关键性正规化条件,实现非线性抛物化稳定性方程的有效求解和稳定推进。算例展示了Blasius边界层的C型失稳的非线性演化过程,与典型实验结果相吻合。     

不同喷压比下欠膨胀射流对特征频率激励的响应

为了揭示欠膨胀激励射流的流动机理,以及考察不同喷压比下射流对相同激励的流动响应,采用大涡模拟方法,对喷压比NPR=5.60和9.34的欠膨胀定常射流和激励射流进行了三维数值计算。激励频率为定常射流中固有的轴对称频率=14.569kHz,激励形式为在射流喷管入口处施以正弦压力扰动。结果表明,特征频率激励影响射流的声场特征,缩小射流核心区的范围,减少射流近场的激波胞格数目,并影响射流气体与环境空气的混合。同时,激励射流的特征频率转变为激励频率及其高阶倍频,激励射流的主不稳定模态均为轴对称模态。其中,NPR=9.34的欠膨胀射流的主不稳定模态和外加压力扰动的形式相一致,射流与外加激励发生了更加剧烈的流动耦合和响应。这使得在NPR=9.34时,射流核心区长度减小得更多,压力脉动的振幅更大,激励对射流混合的增强作用更加明显。     

不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性

为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性,针对不同压比下,超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态,可区分各纯音模态的声源特性。结果表明:当压比在2.0~3.2之间时,共出现五种纯音模态:A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率,此时流场呈现同轴模态;d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率,且e模态出现时流场转化为螺旋模态,这是一种不稳定模态;当压比大于等于2.53时,纯音模态稳定成单一模态B,B模态纯音频率为啸叫频率,其流场结构转化回同轴模态,啸叫频率对斜板的存在与否不敏感;啸叫频率随着压比的增加逐渐减小,其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。      

不同喷压比下欠膨胀射流对特征频率激励的响应

为了揭示欠膨胀激励射流的流动机理,以及考察不同喷压比下射流对相同激励的流动响应,采用大涡模拟方法,对喷压比NPR=5.60和9.34的欠膨胀定常射流和激励射流进行了三维数值计算。激励频率为定常射流中固有的轴对称频率fe=14.569kHz,激励形式为在射流喷管入口处施以正弦压力扰动。结果表明,特征频率激励影响射流的声场特征,缩小射流核心区的范围,减少射流近场的激波胞格数目,并影响射流气体与环境空气的混合。同时,激励射流的特征频率转变为激励频率及其高阶倍频,激励射流的主不稳定模态均为轴对称模态。其中,NPR=9.34的欠膨胀射流的主不稳定模态和外加压力扰动的形式相一致,射流与外加激励发生了更加剧烈的流动耦合和响应。这使得在NPR=9.34时,射流核心区长度减小得更多,压力脉动的振幅更大,激励对射流混合的增强作用更加明显。     

超临界喷射受环境和喷射参数影响的数值研究

基于PR(Peng-Robinson)状态方程,采用二维轴对称的两相流控制方程和相关文献中的混合规则,建立了超临界燃油喷射的数值模型并采用预处理方法进行求解.以正癸烷为替代燃料研究了超临界燃油喷射到静止超临界氮气环境中时射流长度和射流扩张角的变化规律.结果表明:超临界射流长度和射流扩张角随环境压力的升高而减小,随环境温度和喷射温度的升高而增加,且超临界射流长度受环境和喷射参数影响的敏感性稍高于射流扩张角.分析认为影响超临界喷射的两个主要因素是喷射密度比和喷射动量,且后者占主导地位.     

基于高阶间断有限元法的气动噪声数值模拟

采用CFD+CAA的混合方法对三维湍流激励的气动噪声进行了仿真计算。流场计算部分采用有限体积法求解RANS方程,得到定常的背景流场。在流场计算的基础上,基于SNGR(Stochastic Noise Generation and Radia-tion)方法构造声学控制方程LEE的右端源项,采用高阶间断有限元法(DG)求解线性欧拉方程(LEE)得到后视镜的非定常声场。适用于复杂外形的气动噪声仿真计算,是一种非常实用的气动噪声工程计算方法。     

叶栅离散伴随气动优化设计

正叶栅气动优化设计是一个具有复杂约束环境的多变量、非线性、多目标优化问题。基于控制理论的气动优化设计方法,因其在求解目标函数对设计变量的梯度时引入了伴随系统,又被称为伴随方法。与传统的梯度求解方法相比,伴随方法的优势在于其梯度的计算量与设计变量数目无关,计算目标函数对所有设计变量的梯度只需计算一次流场和一次伴随场,且伴随方程是线性偏微分方程,远不及流动方程复杂。其中,离散伴随方法因其伴随方程及边界条件     

飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究

基于自主研发的大规模并行结构化网格雷诺平均Navier-Stokes（RANS）求解器PMB3D以及流固耦合代码FSC3D建立了飞行器静气动弹性数值模拟技术,进一步基于并行化伴随方程求解器PADJ3D,开展了Navier-Stokes方程与结构动力学方程耦合离散伴随的推导、构造。对各个学科伴随变量进行延迟处理,进行耦合伴随系统的解耦,学科之间的影响通过右端强迫项的形式在方程中体现,通过松耦合形式进行各个学科方程右端项数据传递,各个学科的伴随方程一定程度上能够相对独立,进一步实现了基于LDLT方法的结构伴随方程的高效求解;对典型客机柔性机翼进行梯度信息求解,并与考虑气动弹性影响的差分结果进行对比分析。数值模拟结果表明,延迟耦合伴随形式更有利于保持原有程序结构形式以及程序模块化,梯度计算精度完全满足优化设计需要,能够为柔性机翼飞行器气动/结构多学科优化设计提供研究基础与技术平台。     

基于离散伴随方程求解梯度信息的若干问题研究

基于自主研发的大规模并行化结构化网格RANS求解器PMB3D,开展了黏性离散伴随方程构造、求解方法的研究与讨论。首先对离散伴随求解梯度的思想进行简要介绍,进一步对无黏项、人工黏性项、黏性项部分对离散伴随方程贡献以及变分推导进行了详细介绍;文中对离散伴随方程无黏项、黏性项边界条件实现形式进行了详细研究,并对关键模块变分推导的一些简化方式进行了研究讨论,通过典型宽体飞机标模、外压式超声速进气道算例,分析了所采用的简化处理方式对不同问题梯度求解精度的影响。最后在并行化求解、时间推进以及加速收敛方面进行了探讨、验证。数值模拟表明,文中采用的离散伴随方程形式更有利于程序化、模块化,梯度计算精度完全满足气动优化设计需要。     

基于控制理论的旋翼翼型优化设计

基于粘性Navier-Stokes方程和最优控制理论原理,研究了气动/几何约束条件下多设计变量的旋翼翼型气动优化设计问题。根据给定目标函数的表达形式,在计算坐标系下推导出了相应的伴随方程和边界条件,以及梯度方程的数学表达式,并对流动控制方程和伴随方程进行了有效数值求解。综合流动方程、伴随方程、目标函数敏感性导数和优化算法,发展了一种高效旋翼翼型气动优化方法。通过典型旋翼翼型的算例验证,表明方法的有效性。     

一种基于动模态分解的翼型流动转捩预测新方法

考虑自由转捩的定常/非定常流动Navier-Stokes方程数值求解,对于翼型流动细节的精确模拟和气动力的精确预测均具有十分重要的意义。采用动模态分解(DMD)方法进行流动稳定性分析,再结合e N方法,提出了一套适用于翼型绕流的转捩预测新方法,称为DMD/e N方法。相比于传统的线性稳定性分析方法,DMD方法不需要求解附面层方程和线性稳定性方程,也没有引入平行流假设,具有更好的理论适用性和算法鲁棒性。开展了NLF0416、S809和SD7003等翼型的转捩预测数值验证研究,通过与实验结果以及与传统的基于线性稳定性分析的e N方法的比较,验证了本文所发展的转捩预测新方法在预测翼型的定常流动和非定常流动转捩方面的正确性,也表明了该方法具有解决含层流分离泡的翼型绕流转捩预测的能力。     

多孔壁面对高速边界层最优增长条带二次失稳的影响规律

边界层转捩是高超声速飞行器设计中的关键基础理论问题。当环境扰动强度较高时，将在模态扰动失稳区上游发生由最优增长条带二次失稳触发的亚临界转捩。为评估多孔壁面在亚临界转捩中的控制效果，以超/高超声速平板边界层流动为研究对象，建立了基于伴随抛物化稳定性方程的优化系统与求解方法。以最优扰动非线性演化形成的三维条带边界层为新的基本流动开展全局稳定性分析，研究表明：多孔壁面对第一模态频率范围内的二次失稳扰动为促进作用，对第二模态频率范围内的二次失稳扰动起抑制作用，并且转折频率接近局部快/慢模态的同步频率，对于工程应用中多孔涂层的布置方案具有一定的指导意义。     

基于连续伴随方法的高超声速飞行器高精度气动优化

高精度气动优化是改善高超声速飞行器气动性能的必要途径。基于Navier-Stokes方程推导了连续伴随方程以及与气动力目标函数对应的边界条件和壁面灵敏度公式,考虑了层流输运系数变分对伴随方程的贡献,采用基于二阶熵修正Roe格式的伴随对流项离散形式,构造了适用于高超声速流动的连续伴随求解器;结合FFD （Free Form Deformation）参数化方法和SQP （Sequential Quadratic Programming）优化算法构建了高精度梯度优化框架;在高超声速来流条件下对二维翼型和Sanger飞行器机翼优化开展了验证和应用。结果显示,在高超声速流动条件下所采用的伴随对流项离散形式具有较好的鲁棒性和低耗散性;连续伴随求解器能够较好地给出气动力目标函数梯度;优化后Sanger机翼构型通过二次激波压缩实现了减阻增升,升阻比提高5.0%;验证了连续伴随优化作为高超声速飞行器高精度气动优化方法的可行性。     

基于CFD研究等离子体环量控制流场特性

为了研究等离子体气动激励射流在翼型钝尾缘产生Coanda效应时对流场特性的影响,基于雷诺平均N-S方程中添加体积力源项的唯象学仿真方法,建立并优化了等离子体环量控制的数值计算模型,研究了基于分离点的不同激励器位置对流场的影响规律。结果表明,优化激励器位置后环量控制的效费比ΔCL／Cμ最高可以达到113．49。分析发现,当等离子体激励产生的激励射流刚好可以将分离点推移至压力面时,机翼有效弯度增加最为明显,激励效果最好。     

射流推力矢量的数值模拟研究

本文基于二维雷诺平均N—S方程与SST湍流模型相结合,采用时间相关法求解混合流场,数值求解时,空间上采用二阶迎风格式对连续方程、动量方程和能量方程进行耦合求解。根据数值模拟的结果分析了主流与次流相互作用的复杂流场结构、落压比和二次流位置对矢量偏转角的影响。当SPR=0．7时,单缝模型和双缝模型的最大偏转角都在落压比为2—3．5之间。合理的双缝位置排布获得推力矢量效率高于单缝射流。双缝射流注入时存在一个最佳的双缝间距及开缝位置可以使得两道斜激渡的分布比较合理,从而得到最大偏转角。     

非平衡等离子体控制乙烯-空气旋流反扩散火焰实验研究

摘要：为研究非平衡等离子体自身特性及其对乙烯-空气反扩散火焰的影响,基于同轴旋流式等离子体喷嘴,采用交流激励介质阻挡放电（Alternating Current Dielectric Barrier Discharge, AC DBD）方式在乙烯旋流中产生非平衡等离子体,分别从放电图像、温度和流场变化等方面对乙烯等离子体的电学特性、热效应和气动效应进行了研究,最后通过反扩散火焰可见光和CH*自发辐射图像详细分析了等离子体对乙烯-空气反扩散火焰的影响及其机理。结果表明,AC DBD激励方式使乙烯旋流在喷嘴环缝内产生了丝状非平衡等离子体,丝状等离子体通道数目随着激励电压上升而显著增加。与空气等离子体和氧气等离子体相似,乙烯等离子体兼具热效应和气动效应,其热效应主要集中在放电核心区域,对射流加热作用微弱,对燃烧的影响可以忽略不计;气动效应显著,主要体现在增强了射流掺混、扩大了射流覆盖面积以及降低了转捩点高度,射流掺混的增强导致反扩散火焰最大释热强度提升,且在低当量比时较为明显,射流转捩点高度的降低引起了火焰中心位置下降。     

膜片激励器控制同轴射流掺混的试验

利用试验方法研究合成射流激励器对同轴射流掺混控制的作用效果,探索在激励器控制作用下掺混效率的变化规律和流动结构,分析了掺混效果被控制的物理机制。利用激励器零质量射流大幅度提高内外涵道射流的掺混效率,缩短高速区的长度,流动掺混更均匀。     

应用流固耦合数值方法研究机翼的射流减振技术

采用流固耦合的数值计算方法研究了NACA 0 0 15翼型在大迎角 ( 15°～ 6 0°)范围的颤振 ,以及在翼型背部部分引入射流的减振技术。在流体区域用高精度、高分辨率算法求解Farve平均的Navier Stokes方程 ,在固体区域用四阶Runge Kutta法求解振动方程 ,并且每一个时间步后都在两个区域之间传递边界条件。计算结果表明在翼型背部引入适当射流会降低翼型的振动 ,并提高升力。但如果引入射流的速度过高 ,会在叶背处形成新的分离流 ,升力反而会下降