存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N₂,O₂,NO,N,O,NO⁺,N⁺₂,O⁺,N⁺,CO,CO₂,C,C₂,C₃,CN,e^-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流Ma=10~30,总焓值6~55MJ/kg范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

高超声速湍流直接数值模拟技术

概述了近年来国内外高超声速湍流直接数值模拟(DNS)技术方面最新的研究进展,主要集中在高精度、高鲁棒性数值方法方面,同时也介绍了近年来典型的高超声速湍流DNS算例。在数值方法方面,主要介绍了高精度激波捕捉格式以及保持计算稳定的数值技术,重点是WENO格式及高阶保单调格式的最新进展。在高超声速湍流DNS算例方面,介绍了压缩性影响、壁温影响、真实气体效应以及高超声速转捩等方面的DNS研究。此外,还简要介绍了作者开发的可压缩高精度计算流体力学软件OpenCFD。     

两种湍流模型及其可压缩修正在高超压缩拐角中的评估(英文)

采用在高阶精度差分格式对SA湍流模型和SST湍流模型及相应的可压缩修正模型在高超拐角流中进行了评估。可压缩修正方式考虑了密度梯度、压力膨胀和湍流马赫数等方法。为了减小数值误差与模型误差之间的混淆,控制方程的对流项采用了5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5),粘性项采用了一种半结点/结点交错的4阶中心格式。通过对马赫数为9.22的15度拐角和34度拐角湍流的模拟,考察了原始湍流模型及其修正模型的效果。计算表明:原始SST模型对高超拐角湍流的预测比原始SA模型准确,这种准确主要体现在对分离区预测、再附点附近压力和热流峰值预测上。通过混合采用Catris和Shur等的方法对 SA模型进行可压缩修正可以大大改进模拟效果。在SST模型的可压缩修正方法中,Catris的修正方法最好;考虑压力膨胀修正后得到的分离区远远偏大,比本原始SST模型更差;考虑湍流马赫数的修正方法得到的分离区偏小。本文还给了部分低阶格式的计算结果,高阶格式与低阶格式相比,对分离区大小、再附点附近的压力和热流峰值等的预测准度有所改进。     

高超声速湍流分离激波运动特性

给出半圆柱前缘舵诱导的高超声速湍流分离激波运动特性。实验气流Ｍ数为７．８,单位长度Ｒｅ为３．５＊１０＾７／ｍ。     

基于Reynolds平均的高超声速二方程湍流模型

 在Reynolds平均的框架下推导了可压缩湍流Reynolds应力方程和湍动能方程。根据一定的假设和尺度分析简化并封闭了所推导的湍动能方程。在均匀湍流假设下,湍动能耗散率可分解成可压缩性耗散和旋度耗散,并对其中的可压缩性耗散进行了封闭;同时认为旋度耗散不受可压缩性影响,直接引用传统的Reynolds平均不可压缩湍动能耗散率模型方程。由此构造了适用于高马赫数的二方程可压缩湍流模型。应用所发展的模型计算了高超声速平板绕流,并与若干现有模型的计算、实验与半经验公式的计算结果进行了对比,验证了所发展的模型。在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对所发展的湍流模型,以及若干现有模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了湍流模型可压缩修正的必要性,得到了所发展模型的计算结果最接近实验结果的结论。     

高超声速风洞压敏漆试验技术

提出了适用于高超声速风洞开展压敏漆(PSP)试验研究的关键技术及解决办法。采用自主设计的PSP校准系统及测试系统,考核了代号为EC-PSP的压力敏感涂料在高超声速条件下的适用性、图像处理软件功能以及高温条件影响下数据处理方法的可行性。以压缩拐角模型为例开展了马赫数为5的高超声速PSP技术验证性风洞试验研究,辅以红外测温方法获得模型表面连续温度分布。试验结果表明在高超声速风洞开展的PSP试验技术研究清晰地捕获了基于压力变化的压缩拐角模型表面流动特征,实现了连续压力分布的测量。     

压缩拐角激波/边界层干扰的可压缩湍流模型研究

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题,抓住可压缩流动中的密度变化特性,利用构造的可压缩Von Karman尺度,基于KDO(Kinetic Dependent Only)湍流模型,发展出可压缩湍流模型CKDO(Compressible Kinetic Dependent Only)。通过对8°,16°,20°和24°压缩拐角算例的数值模拟,测试了其对可压缩、激波/边界层干扰这一湍流难题的求解能力。计算结果表明,总体上CKDO模型对壁面压力和壁面摩擦阻力系数的捕捉能力优于其它模型,并且随着压缩拐角角度的增大,其描述该流动的能力更加突出。CKDO模型在24°压缩拐角处计算的分离区大小仅比实验大10%左右,明显比其它模型结果好。这表明CKDO模型在模拟激波/边界层干扰这一类流动中有较好的适用性。     

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

传感器局部温度差异对压缩拐角热流测量的影响

针对高超声速飞行器在进行热流测量时存在的传感器与其周围热防护材料之间的热匹配性问题,即冷点效应问题,采用自主研发的计算程序研究了冷点效应对压缩拐角表面热流分布的影响,得到了在不同压缩拐角特征流动区域内冷点效应对其表面热流分布的影响机制.计算结果分析表明:冷点效应的存在会显著地提高冷点区域内的表面热流值;在压缩拐角的分离...     

CKDO一方程模型计算高超声速横流转捩

高超声速横流转捩集湍流-激波作用、可压缩、横流、转捩等难题于一身,基于雷诺平均N-S方程（RANS）的转捩建模是一项挑战。本文采用CKDO-tran计算高超声速横流转捩的经典标模—HIFiRE-5,分可压缩性效应、雷诺数效应和迎角效应进行评估,发现：不考虑可压缩效应的KDO-tran模型无法给出准确的预测,而不引入特定转捩机理,CKDO-tran仍然可以预测一系列雷诺数工况的高超声速横流转捩。迎角0°时,CKDO-tran可以较好地预测出双肺叶转捩图像,迎角为4°时,CKDO-tran产生的转捩线提前,但给出了与实验相似的转捩图像,具有进一步开发的潜力。对4°工况进行来流湍流度敏感性的研究发现,随着来流湍流度减小,CKDO-tran产生的转捩线逐渐后移,并且转捩图像与实验的相似性逐渐减弱直至消失。 通过对迎角效应进行的分析,推测出来流-激波相互作用的建模是消除迎角效应的关键。     

基于湍流输运特性对S-A模型在压气机角区流动模拟中的改进研究

在非设计工况下,压气机叶栅角区的三维分离加剧,流场内的湍流处于较强的非平衡状态,因此必须对于非平衡状态的湍流的输运过程给出准确的预估.基于不同工况下压气机内角区分离流动的湍流输运过程的分析,提出了一种修正Spalart-Allmaras(S-A)模型中模拟湍流黏性生成和耗散关系的改进方法,经过数值研究发现改进的S-A模型对于静子角区分离的模拟更接近物理实际,从而提高了对非设计工况的预估能力.      

基于物面弱边界条件的并行全隐式流场求解方法

提出了一种基于物面弱边界条件的Navier-Stokes方程并行全隐式求解方法。首先,实现了非结构网格格点格式有限体积法的粘性物面弱边界条件。以此为基础,推导了相应的粘性Jacobian矩阵。相比传统的物面强边界条件,弱边界条件的应用简化了该推导过程。接着,为了解决Spalart-Allmaras（S-A）模型的收敛和保正性问题,提出了基于物面弱边界条件的S-A模型无条件保正性收敛方法,通过构造特别的隐式矩阵同时保证S-A模型的收敛和湍流工作变量的正值。流场方程全隐式时间推进和无条件保正性收敛方法所得到的线性方程组采用多色高斯-塞德尔迭代法进行求解,并由MPI实现并行化。通过若干二维和三维算例对本文所提出的方法进行了测试,其结果表明：1）随着罚系数的增大,基于弱边界条件的结果趋向于基于强边界条件的结果;2）对于力的计算,弱边界条件自动满足通量一致关系而无需特别处理。     

基于隐式算法的悬停旋翼粘性绕流高效CFD分析方法

为显著提高旋翼粘性绕流CFD模拟效率, 建立了一套高效的基于隐式LU-SGS算法和OpenMP并行策略的旋翼悬停流场求解方法。首先, 求解Poisson方程生成桨叶剖面翼型的贴体正交网格, 并通过剖面网格插值、翻折方法生成桨叶C-O型贴体网格;在此基础上, 采用基于“扰动衍射”挖洞方法与“Inverse map”相结合的洞边界划定与贡献单元搜索方法, 解决了嵌套网格技术中的相关瓶颈问题。然后, 以非惯性系下耦合S-A湍流模型的RANS方程为流场主控方程, 对流通量采用三阶Roe-MUSCL格式进行离散, 时间推进采用高效的隐式LU-SGS方法, 同时采用基于数据共享的OpenMP并行策略加速流场求解。最后, 运用所建立的方法分别对不同旋翼翼型和悬停状态“Caradonna-Tung”以及UH-60A旋翼的流场及气动特性进行了计算, 并给出了根据涡核位置加密网格来提高桨尖涡捕捉精度的方法, 同时将计算结果与试验值进行了对比, 验证了该方法在旋翼CFD流场模拟中的高效性和高精度特征。     

高超声复杂流动中湍流模式应用的评估

本文选择几个高超声速基准流动：二维可压缩拐角、锥柱裙组合体绕流、斜激波与湍流边界层干扰,采用几个常见的湍流模式,BL模式,CHκ-ε模式,κ-ε模式,SST模式,CMOTTκ-ε模式,SHIHκ-ε模式,通过将数值计算结果和实验结果进行比较,对有关的湍流模式地 评估,得到一些有意义的结论。     

壁温对压缩拐角流动影响的数值模拟研究

压缩拐角是高超声速飞行器上的典型非连续区域,其分离/再附结构对局部热环境有较大影响。本文采用基于Navier-Stokes方程的自研程序,开展了典型压缩拐角外形的气动热环境数值模拟研究,分析了不同壁温条件下压缩拐角的热环境分布规律。计算结果表明:随着壁温升高,流场整体结构变化不大,但由于近壁面流体物性参数变化较大,导致拐角分离涡分离点向前移动、再附点向后移动,拐角处干扰区扩大;压缩拐角大部分区域的热流随着壁温的升高而减小,且干扰区内热流减小的幅度比无干扰区更大,但热流并不完全遵循随壁温升高而减小的规律。另外,通过对比变壁温计算热流和热壁修正公式修正热流,发现热壁修正公式在干扰区存在精度降低、适用性不足的问题。本文的研究进一步加深了壁温对压缩拐角流动影响的认识,缩小了热壁修正公式的适用范围。