SST-DDES模型在大分离流动问题中的应用

采用基于SST k-ω湍流模型耦合延迟脱体涡模拟技术(Delayed detached-eddy simulation,DDES)的SSTDDES模型,数值求解Navier-Stokes方程。并针对低速流动问题,发展了基于隐式双时间步方法的低速预处理技术,用于数值模拟低速、高雷诺数湍流大分离流动问题。数值模拟了低速大迎角三角翼绕流及大迎角6∶1椭球绕流,观察到与物理现象相一致的旋涡特征,且得到的定量数值结果与实验数据相吻合。     

带振荡上仰翼型分离流研究

对带振荡的快速上仰翼型的非定常分离流问题进行了计算研究。采用微分形式的动力学方程和积分形式的运动学方程相结合的有效方法,以及可用于有分离流动的Baldwin-Lom ax 湍流模型,精确地模拟大雷诺数大攻角下的复杂流场。依据流场的不同特点,使用分区方法进行计算,保证了计算精度,大大节省了计算时间。文中分析研究了非定常前缘强旋涡的演化过程和气动力的变化,探讨了不同上仰率和振荡频率对分离流动的影响     

基于LBM-LES方法前缘多孔翼型流场的数值分析

前缘多孔翼型能够有效降低翼型的气动噪音,但是其对流场特性的影响还需进一步的研究。采用基于Lattice Boltzmann Method(LBM)与Large Eddy Simulation(LES)结合的LBM-LES方法对雷诺数为Re=3.5×10~6下的标准GAW-1翼型与前缘多孔GAW-1翼型进行了数值模拟,分析并比较了不同迎角下的流场结构。其中,粒子速度模型采用D2Q9模型,LES采用动态Smagorinsky亚格子模型对湍流进行模拟。数值分析结果表明:LBM-LES方法可以准确地捕捉非定常高雷诺数下湍流流场的流动分离特征,且数值结果可以很好的与实验值吻合;其中,在迎角低于4°的情况下前缘多孔介质对翼型气动特性影响较小,随迎角的增大其对气动特性的影响增大。     

NACA0012翼型低雷诺数绕流的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和 PIV 测速实验研究了 NACA0012翼型在雷诺数为8200时的流动特性,重点关注了翼型绕流结构随迎角的变化。研究发现:分离点和分离剪切层形成旋涡的位置随迎角的增大而向上游移动,同时翼型上表面流动分离后形成的回流区尺寸随着翼型迎角的增加而增大。当流动再附于翼型上表面时,在再附点附近能够观测到展向涡的三维演化过程,并能观测到展向涡的局部配对现象。     

平面COUETTE流动的湍流斑研究

湍流斑是近壁剪切流动中的重要现象,它们的生成和发展与流动转捩和湍流的形成密切相关.采用Navier-Stokes方程直接数值模拟和壁面脉冲模型研究平面Cou-ette流动中湍流斑的生成和演化.高精度高分辨率的三维耦合紧致差分格式被用于数值计算.探讨了平面Couette流动中湍流斑的重要特征,包括高频脉动的形成、雷诺应力的产生、扰动的急剧增长和湍流斑形状的变化,特别是流向涡的复杂演化过程.结果表明层流流动中的湍流斑具有湍流流动中一些基本特征.     

湍流边界层近壁区马蹄涡拟序结构的数值模拟与分析

采用大涡模拟对低雷诺数槽道湍流进行了数值模拟,进口边界条件采用了给定扰动波方法,经过短过渡段得到完全发展湍流.计算中采用了动态亚格子模型和预处理技术,进口采用的动量厚度雷诺数是670.大涡模拟对计算得到的平均速度剖面以及脉动分量与DNS解进行对比,验证了计算结果的可靠性.计算结果显示了湍流场中马蹄涡的形成及演化过程,其中包括形成单腿马蹄涡和形成对称涡腿的马蹄涡,同时发现流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象,并在此基础上分析了湍流边界层近壁区马蹄涡结构的演化.     

模型燃烧室湍流亚网格尺度模型

分别采用Smagorinsky-Lilly和k方程亚网格尺度模型,在任意曲线坐标系下对模型燃烧室湍流流场进行大涡模拟.分别用QUICK和二阶隐式差分格式离散控制方程及其时间项,并用SIMPLE算法进行求解.计算结果与PIV测量数据比较表明:大涡模拟方法能较好模拟旋流器后面回流区的瞬态变化,两种亚网格尺度模型都能较好模拟湍流流动,但k方程亚网格尺度模型稍优于Smagorinsky-Lilly亚网格尺度模型,因此采用k方程亚网格模型更适用于大涡模拟实际燃烧室复杂湍流流场.     

二阶矩湍流模型在喷管两相流中的应用

本文应用一种考虑气体一颗粒湍流相互作用的二阶矩模型对喷管跨音速两相流动进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和载荷比对流动的影响。计算结果和实验数据及前人研究结果相吻合．表明二阶矩模型能够对跨音速两相湍流做出很好地预测。     

风力机叶型增升技术

介绍了利用栅片改善风力机叶型大迎角下气动性能的研究结果。通过对风力机专用翼型的数值模拟,研究了栅片对翼型流动分离的控制效果,并在数值模拟结果的基础上对栅片进行基因算法优化。优化过程采用多岛基因算法,以N-S方程为控制方程,以升力最佳为目标,对栅片进行多参数优化。结果表明:栅片可以有效控制翼型的失速特性,抑制翼型大迎角下的流动分离,推迟失速攻角和增加升力;基因优化算法能更大地提升栅片的控制效果。     

民用飞机起落架气动噪声数值仿真研究

对某型民用飞机前起落架进行气动噪声进行数值仿真分析。采用分离涡模拟方法,计算起落架周围非定常湍流流场,提取声源信息,利用FW-H方程积分外推法求解模型辐射的声场,获得噪声的频谱特性及远场指向特性曲线。通过频谱对比,研究粗网格和细网格对仿真精度的影响以及不同积分面对噪声预测结果的影响。结果表明,分离涡模拟方法能够较好地模拟流场中存在的大量复杂的涡结构;当选取模型固体表面为积分面时,基于粗网格比基于细网格计算的声压级低约1dB;基于细网格定义空间可穿透面为积分面比定义模型固体表面为积分面计算的声压级高约5～7dB;起落架气动噪声源与其后部有规律的涡脱落相关,并且噪声辐射具有明显的指向特性。     

温度垂直递减率对飞机尾涡影响的数值模拟

为了更深入精确地研究航空器尾涡演变规律，保障航空器安全运行，本文采用数值模拟方法对不同温度垂直递减率下A330-300飞机尾流的耗散规律进行了研究。数值模拟选择SST (Shear stress transport) k-ω湍流模型，通过构建5种不同温度垂直递减率下的温度场，并在温度场内编译A330-300飞机尾流场实现不同温度垂直递减率下的演化。通过数值模拟结果与雷达探测数据的对比验证了数值模拟方法可靠性。计算结果表明，一般湍流强度下，不同的温度垂直递减率主要作用于尾涡衰减阶段，通过改变尾涡内外温度影响尾涡演化。温度垂直递减率越小，尾涡衰减区环量减小得越快；温度垂直递减率越大，尾涡下沉的速率越大，快速耗散后的涡核间距越大。     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

旋转弹体大攻角非对称涡效应的分析

本文研究了旋转旋成体在超声速大攻角下的体涡非对称脱落和弹体上气动力和力矩的数值计算方法。文中采用冲击横流比拟概念,将绕旋成体的三维、定常、分离流问题转化为二维、非定常、分离流问题来求解。弹体位流模型用沿弹体轴线分布的源汇和偶极子来模拟,弹体背风区的分离涡则用横流平面中的大量离散点涡来模拟。采用经修改的 Stratford 准则来检验横流平面中边界层是否分离。典型算例结果表明,本文提出的方法能正确描述旋转弹体大攻角流动的主要特征。     

三维管内激波/湍流附面层干扰流场的数值模拟

给出了可压缩性及曲率修正两方程湍流模型，用它对跨音速三维喷管管内激波／湍流附面层干扰流场进行了数值模拟；给出了不同纵向截面上的激波结构、等马赫线图和四周固壁上的摩擦力线谱。将计算所得的摩擦力线谱、激波结构与实验结果进行了比较。分析了横截面上的流动结构，计算与实验吻合较好，进一步证实可压缩性及曲率修正两方程湍流模型能够较好地模拟激波／湍流附面层干扰流场，满足工程设计和分析要求。     

用于BVI噪声试验的新型涡发生器设计与分析

针对直升机特有的旋翼桨/涡干扰(Blade vortex interaction,BVI)噪声计算精度低且试验数据缺乏问题,也为了开展旋翼气动噪声特性分离方法的验证试验研究,本文设计了一种能够用于BVI噪声试验的新型多段翼型组合式涡发生器。首先通过CATIA软件建立涡发生器出口端翼型段在不同迎角下的试验模型,再使用FLUENT软件建立涡发生器的流场仿真计算模型,比较分析了不同翼型段迎角下的涡流流场。随后用粒子图像测速法(Particle image velocimetry,PIV)技术系统测量了不同翼型段迎角、距离涡发生器出口端的长度及流速等参数变化下的涡流流场,对不同试验状态下的涡核、涡强等参数进行了对比分析。针对涡量偏弱的缺点,对传统单级涡发生器进行了改进,设计研发了双级涡发生段。试验证明其能产生更强且稳定的涡,为BVI噪声试验提供了模拟的桨尖涡,试验结果表明了涡发生器的有效性。     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。     

跨声速流动激波边界层干扰分离流动特征研究

基于改进延迟脱落涡（IDDES）方法，针对对跨声速流动范围内的球头锥形火箭整流罩绕流流场进行了大涡模拟/雷诺平均（LES/RANS）混和模拟。通过与国内外文献中的实验和数值模拟结果进行对比，验证了IDDES模拟能够充分捕捉到跨声速流动中激波边界层相互干扰导致的分离流动特征。模拟结果显示整流罩表面时均压力分布与试验吻合一致，脉动压力峰值位置能够准确预测。通过对分离泡区域内的速度场进行谱特征正交分解（SPOD），得到流场中的主要含能结构，以及流动结构的频谱与模态特征。结果表明激波分离泡区域主要振荡能量集中在前四阶SPOD模态，其中一阶主模态表现出明显的呼吸特征，为发展表面压力脉动的控制技术提供了新的思路。     

介质阻挡放电等离子体对NACA0015翼型流动控制的PIV实验研究

采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,研究了介质阻挡放电等离子体激励对NA-CA0015翼型表面流动分离的控制特性.通过风洞实验,研究了电极电压、电极位置和布置方式等参数对翼型分离控制的影响规律,并初步分析了等离子体流动控制机理.结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制翼型的流动分离,实现气流的完全再附着;在来流速度为20m/s时,将气流再附着的迎角提高了5°.     

翼身厚度对小展弦比飞翼布局流动特性的影响

跨音速条件下,激波将导致大后掠飞翼布局出现激波/边界层干扰、激波/前缘涡干扰等复杂流动现象,对其流动特性、气动性能产生严重影响。本文采用数值模拟方法研究了跨音速时小展弦比飞翼布局流动特性随迎角的演化,并分析了翼身厚度对前缘涡流动的影响。计算结果表明:在无前缘涡区,翼身厚度在机头处引起侧洗作用,在尾部出现激波/边界层干扰现象,导致流动分离;在前缘涡发展区,翼身厚度的侧洗作用使飞翼模型前缘涡形成较晚,影响区域减小,但使其前缘涡发展较快,强度增大,在背风侧诱导的吸力增加,从而使前缘涡涡升力基本不变;同时,侧洗作用导致翼身背风侧激波位置前移,诱导前缘涡破裂,使涡破裂迎角大幅减小。本文研究为大后掠飞翼布局气动布局设计和流动机理分析提供了基础。