高速三维边界层稳定性问题的数值方法

本文把四阶精度紧致差分格式用于求解声速、高超声速三维边界层稳定性问题。提出了适用地求解高速边界层特征值问题的Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式配置点方法,并将各种数值方法进行了比较。数值结果表明上述两种方法是求解高速三维边界层稳定性问题的有效数值方法。     

三维机翼可压缩层湍流边界层计算

 从三维时间相依可压缩边界层动量积分方程和平均流动能积分方程出发,将二维可压缩层、湍流边界层积分方程算法推广到求解有限翼展后掠机翼的边界层流动。利用四步Runge-Kutta时间步进方案数值求解积分方程组,并利用当地时间步长加速迭代收敛。文中分析了数值方法的稳定性与收敛性,并考查了横向耗散项对计算结果的影响。算例表明,能获得令人满意的三维机翼定常可压缩层、湍流边界层的计算结果。     

基于线性稳定性理论的转捩控制试验

 使用线化稳定性理论研究了某后掠机翼试验模型在风洞试验条件下可能的试验结果。在当前试验条件下,三维边界层中横流驻波的不同波长扰动发展趋势不同,根据理论分析和数值计算给出了最大放大率波长为4.0 mm。通过升华法试验验证了理论分析与数值计算结果。在试验中使用丝网印刷技术在后掠机翼前缘添加粗糙带,成功地引入了理论计算的最大放大率波长。根据预期影响了三维边界层的转捩。     

带有前缘气膜冷却燃气轮机叶片的气热耦合研究(英文)

使用气热耦合数值计算方法对带有"淋浴喷头"式前缘气膜冷却的C3X燃气轮机叶片进行数值模拟。通过对使用不同湍流模型的计算结果与实验测量值进行对比,使用转捩模型能够比较准确的模拟带有气膜冷却射流的边界层内的流动和传热过程。气膜冷却射流在叶片吸力面上游层流边界层区域内表现出比较明显的三维湍流特性,但在吸力面下游边界层转捩为湍流以后,湍流使得气膜冷却射流与主流燃气掺混过程加速而使其三维流动特性迅速消失;在吸力面由于边界层流动始终为层流状态,冷却射流与主流掺混较缓慢而使其仍能保持较强的三维湍流特性。边界层内由高温燃气与被冷却叶片之间温度差形成的温度梯度有益于增强边界层流动的稳定性。     

三维坑湍流分离流动的粘流／无粘流干扰计算

本文对坑的三维分离流动做了低速粘流与无粘流的相互作用计算。对三维边界层反方法进行了分析和讨论。用数值试验的方法验证了在H和α作为已知量的情况下,三维边界层反方法的积分方程是双曲型的,并提出了一种近似数值特征线法进行求解。无粘流采用低速位流面元法。计算表明所用方法可计算出三维效应很强(即横向变化很大)的三维边界层分离流动。     

边界层横流驻定扰动稳定性问题

采用直接对稳定性方程进行数值积分的方法,计算和研究三维可压（可带边界层控制）边界层横流驻定扰动（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）稳定性问题。导出积分初始边界处用于数值计算的矩阵表达式。通过改进的正则正交化并与误差判断相结合的方法,有效地控制正交化进程,克服了稳定性方程是刚性方程在积分求解中的困难。算例分析研究了跨音速后掠翼前部横流驻定扰动稳定性变化的关键因子和主要影响因素,结果是满意的     

三维不可压缩层流、转捩、湍流边界层的数值计算

本文提出了一种计算三维不可压缩边界层的数值解法,其中包括对层流边界层的微分法,对湍流边界层的积分法以及利用Orr-Sommerfeld方程计算转捩的数值解,当扰动振幅达到e~(13.5)时发生转捩。 按照上述方法,本文计算了ONERA M6后掠角为30°的机翼,计算结果分别和Cebeci和Cousteix的结果作了对比,二者吻合较好。     

半正交曲线坐标系下三维不可压边界层的一种差分解法

本文提出一种三维不可压边界层的差分解法。此法中采用了半正交曲线坐标系和涡粘性各向异性的湍流模型,数值分析中采用了变换域和Keller分块差分格式。用本法计算了一个三维边界层实例,计算结果同实验数据吻合得很好。     

简化Navier-Stokes方程的数值解法

众所周知,L.Prandt1的边界层理论对于早期的粘性流研究和应用起了重要的作用。时至今日,边界层方程的数值计算仍然是一个十分活跃的方面。但是,目前实践中提出的许多新课题(如激波与边界层的相互作用问题,分离流问题等)远非边界层方程所能描述,而必须借助更复杂的微分方程。在这方面,六十年代初期提出的简化Navier-Stokes方程(SNSE)是对古典边界层方程的重要改进,它适用于十分广泛的流动问题。我们以高超音速粘性绕流向题为主,对二维及三维简化NS方程的数值解法作了一些研究,本文不打算全面叙述所有计算问题,而集中对计算方法方面的问题作一小结,以供参考。     

超声速边界层三维扰动引起小激波的数值研究

通过直接数值模拟的方法,研究了M=4.5的超声速边界层中三维扰动的演化。以某一剖面为入口,加入一个及一对三维T-S波,发现随展向波数的增加,扰动幅值的增长率逐渐减小,证实了M=4.5的超声速边界层中,当三维扰动达到一定幅值时会有小激波出现,为建立可压缩流动稳定性理论提供了依据。     

用弱非线性理论研究二次稳定性问题

本文把研究三波共振的弱非线性理论应用于平板边界层和平面Poiseuille流三维扰动的二次稳定性问题。其数值结果与文献[1]、[2]用Floquet形式的二次稳定性理论得出的结论是一致的。     

动叶周向前弯对附面层的影响

本文利用计及旋转和曲率、沿弦长压力梯度影响的三维附面层积分方法, 对前弯动叶片和直动叶片在变工况下的气动性能进行了模拟、比较和分析。得出了叶片周向前弯后, 叶顶部分的附面层减薄, 二次流损失减小的结论, 与实验结果吻合; 验证了前弯叶片相对直叶片提高效率、扩大稳定工作范围的实验结果。      

利用上游槽道对角区马蹄涡的控制

在平板上放置圆柱形成角区流动,利用布置在圆柱上游平板上的二维和三维槽道来控制或削弱角区马蹄涡,采用风洞试验和数值模拟开展研究。结果表明,二维和三维槽道均能推迟边界层的分离,使圆柱根部马蹄涡的强度减弱、尺度减小;同时槽道上游压力和逆压梯度均有所下降,槽道下游压力显著升高而逆压梯度总体降低。二维槽道对马蹄涡强度的削弱为61.15%~66.51%,而三维槽道对其削弱为66.65%~80.93%。讨论了三维槽道参数(包括槽道宽度、深度以及其中心线与圆柱中心距离)对控制效果的影响。槽道与圆柱的距离在对马蹄涡的控制中起主导作用。槽道控制的机理是,由于槽道的抽吸效应使得其上游靠近壁面的边界层中涡量较高的流体被卷吸入槽道形成槽道涡,槽道涡由三维槽道输运到下游。同时,随着槽道与圆柱的距离减小,更多的边界层流体流入槽道内。正是上述"槽道效应"使得槽道下游的逆压梯度降低,马蹄涡强度减弱,分离区范围减小。     

钝尾物体底部压力计算

 提出了一种简便可靠的计算钝尾物体表面压力分布及底部压力的方法。将钝尾物体绕流流场分为无粘区、边界层区和分离区。无粘区和边界层区分别用位流理论和边界层理论计算。分离区由根据尾流函数等建立的替代模型模拟。利用奇点法解出整个模型的压力分布。计算釆用迭代法进行。对Vanwagenen模型和鲁尔大学模型进行了计算,结果表明该方法是成功的。     

高精度数值方法在DNS中的应用

利用不同格式模拟扰动波在平板边界层中的传播,考察了格式对T-S波传播过程计算结果的影响。研究了不同计算格式对自由剪切层扰动波增长的影响,结果表明:对于二维扰动波模型,采用二阶精度格式,扰动波在平板边界层中只能出现衰减的结果;在自由剪切层中,虽然能模拟出扰动波在传播过程中幅值的增长,但却在相当长的计算范围内看不见三维波的出现。但对于同样的扰动模型,如果采用高精度格式,在边界层中能出现增长的T-S波,并与线性理论非常吻合;在自由剪切层中,扰动波不仅迅速增长,并能在不很长的距离内,明显的看到三维波的出现,并激发出了三维结构。      

利用流线法决定绕扁长椭球流动分离的位置

本文按照流线法把所测量的扁长椭球的压力分布用于决定涡层型三维流动分离,按边界层边缘处流线会聚的位置近似地决定分离线的位置。作为算例,计算了扁长椭球体在α=30°状态下的绕流,并在水洞中作了流场显示,数值结果和实验结果的对比表明,二者十分一致。分析表明,涡层型分离不仅与壁面极限流线的收敛有关,而且还与边界层边缘处流线会聚有关,前者的出现并不是引起涡层型流动分离的充要条件。     

论定常不可压粘流的积分方程解法

本文对定常不可压粘性绕流积分解法中的涡量迭代过程、涡量边界条件的提法以及压强系数的计算等方面都作了改进,使数值解更易于稳定收敛并提高精度。为了验证本文的方法,对低雷诺数下的圆柱绕流进行了计算,结果表明计算效率是高的,迭代过程是稳定的。将本文方法推广到三维流动没有原则上的困难。     

计算压气机特性的基元叶片法

本文介绍一种轴流压气机非设计性能的预测方法。该法特点是 ,在流线曲率法解径向平衡方程基础上 ,引入环壁附面层损失的计算 ,考虑叶型存在对气流熵增和总焓变化的影响 ,并计入二次流 /径向间隙流引起的损失 ,激波、尾迹损失等。结果与试验数据对比符合工程要求。     

轴向前倾叶片流场的数值分析

对一种新式的风机叶片即轴向前倾叶片流场进行数值计算, 采用时间推进法计算无粘流场, 采用非正交曲线坐标系附面层积分方程求解附面层参数, 得到了一些有意义的结果。