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。     

可压混合层涡并放热效应的涡动力分析

 基于双元单步不可逆燃烧动力学简化模型 ,采用紧致差分算法直接求解二维可压 Navier-Stokes方程 ,研究了时间发展非预混扩散火焰平面反应混合层流动。拟序结构由数值线性稳定性分析方法设定的粘性可压最不稳定小扰动初场促生。随放热强度增大 ,得到了基频涡卷撕裂现象。涡动力分析表明 ,放热主要通过膨胀和斜压这两种强非线性过程抑制大尺度剪切涡的演化     

钝体边界层失稳特性分析

推导了适合可压缩二维/轴对称边界层的线性抛物化稳定性方程。在法向采用4阶中心格式,流向采用1阶向后差分,对线性抛物化稳定性方程进行离散。通过来流马赫数为4.5的平板与曲面边界层稳定性问题验证了程序的正确性。讨论了来流马赫数6的球钝锥边界层内,扰动波沿端头向下游演化的失稳特性。发现了一种新的失稳机制。     

边界层稳定性的三维线性抛物化算法研究

通过把扰动波在流向上的变化分解成缓慢变化的形状函数部分和快速变化的波动部分,同时把扰动波在展向上的分布也分解成形状函数部分和波动部分,得到三维抛物化稳定性方程(3D PSE).然后在流向采用一阶向后差分,法向和展向采用4阶中心差分,发展出了迭代求解三维线性PSE的方法.通过求解二维扰动波和三维斜波在三维空间中的发展,发现二维波可以自动调制出展向扰动,且展向扰动的最大值点在边界层与外流的交接面附近.三维斜波的计算结果表明,网格密度应该与波矢方向上的波长相匹配,而不是与流向波长相匹配.     

高超声速边界层基频二次失稳条纹结构的稳定性

近年来在高超声速边界层的直接数值模拟和静风洞实验研究中,相继发现了边界层转捩前出现的典型基频模态二次失稳现象,其主要成分为流向条纹结构。全文以高超声速平板边界层为研究对象,采用线性稳定性分析和二次稳定性分析的方法,对边界层内条纹结构的产生机制和无黏稳定性特征进行了研究。结果表明:首次失稳扰动幅值对二次失稳类型有影响。当首次失稳扰动幅值较大时,基频模态占主导,其主要成分为条纹结构,表现为流向涡。该条纹结构存在着多个无黏失稳模态,其中低频模态对应于第一模态在三维边界层内的扩展,高频模态对应于可压缩的第二模态。这一研究成果为进一步开展高超声速边界层转捩机制研究奠定了基础。     

超声速非平行边界层的非线性稳定性研究(英文)

用非线性抛物化稳定性方程(NPSE),研究超声速非平行边界层的扰动波的非线性演化过程。发展了高精度的数值方法,对NPSE进行有效求解和稳定推进。计算得到了各谐波的振幅增长曲线和不同的扰动剖面函数,特别是展示了谐波之间的非线性作用的物理特征,包括流向涡、展向涡和Λ结构的形成和演化等,以进行转捩过程的机理研究和分析。NPSE的计算结果显示了这个新方法是研究超声速边界层非线性稳定性的有效方法。     

基于超声速边界层转捩的WENO格式对比分析

基于高精度weighted essentially non-oscillation(WENO)格式对马赫数为4.5,雷诺数为10000的超声速来流条件下平板边界层转捩过程进行了大涡模拟.无黏通量分别用5阶、7阶、9阶WENO格式进行离散,黏性通量离散采用4阶中心差分格式,时间推进采用具有总变差递减(TVD)性质的3阶精度Runge-Kutta方法.通过在入口边界叠加一对等幅最不稳定第一模态谐波扰动,分别采用3种WENO格式计算得到了平板层流边界层失稳转捩的演化过程.结果表明:5阶WENO格式的数值耗散明显高于7阶和9阶WENO格式,在捕捉湍流涡和流场脉动特性上存在明显不足.9阶WENO格式的耗散小,能够捕捉到流场更小尺度的涡和高频脉动.研究具有高频脉动特性的问题或者欲捕捉精细涡结构时,建议采用7阶以上的高精度格式.      

超声速空气介质自由扩散混合流涡的演化

在不同谐波扰动促发方式下,观察二维超声速空气/空气自由扩散混合流中涡的形成及演化.考虑含空气组分扩散效应的可压缩Navier-Stokes方程,对流项采用3阶迎风紧致格式离散,输运项采用6阶对称紧致格式离散,非定常时间推进采用3阶紧致存储显式Runge-Kutta方法.在无相差情形下,获得了大尺度基频涡结构的饱和、一次对并、二次对并、三涡对并等现象.在Ma_c=0.3低对流Mach数下,基频涡较饱满,但流向尺度较小.受空气真实气体特性影响,在Ma_c=0.8高对流Mach数下未发现涡/小激波结构.      

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...     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析,给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析,计算结果与理论及实验吻合。     

一个基于通量分裂的高精度MmB差分格式

本文研究双曲型守恒律的高精度差分方法.在新的算法中,首先将计算区间划分为互不相交的小区间,再根据精度要求等分小区间;其次,根据流动方向进行通量分裂,重构小区间交界面上的正、负数值通量,并进行校正;然后,采用高阶Runge-Kutta TVD方法进行时间离散,构造了一维非线性双曲型守恒律方程的一个高精度、高分辨率的守恒型差分格式.推广到二维双曲型守恒律方程,证明了格式的MmB特性.进而推广到二维守恒型方程组情形.最后对二维Burgers方程及Euler方程进行了数值试验,数值结果令人满意.     

适用于气动学问题的DRP类有限差分方法

研究了一类低耗散低色散的高阶精度有限差分方法,目的是直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题.采用的数值方法是空间四阶、时间三阶精度的色散关系保持(DRP:dispersion-relation-preserving)类有限差分格式,通过波动方程算例验证了格式模拟波动问题的能力;采用加变幅值的高波数人工耗散项来抑制高频数值振荡,使得该格式可推广用于含激波、初始间断或非线性波动的问题.通过含激波、初始间断条件的算例验证了所用变幅值人工耗散的有效性,最后作为初步应用计算了二维亚、超音速均匀流中简单点声源辐射问题,得到了很好的结果,表明此类方法在气动声学问题计算上深有潜力.     

高速再入飞行器的制导与控制系统设计

 针对高速再入飞行器模型的快时变,强耦合,严重非线性的特点,采用反馈线性化方法,设计了自动驾驶仪;同时采用最优制导律设计与理想速度曲线相结合的方法,设计了能同时保证末端制导精度及速度方向、大小的制导律。最后,进行了六自由度仿真,结果表明 :设计的制导律及控制方案是合理、有效的,易于实现。     

一种跨音速叶栅流场分析系统

本文建立了一种工程实用的跨音速叶栅流场分析系统,可进行跨音速叶栅无粘绕流和无粘流-边界层迭代计算。叶栅无粘绕流的计算以Denton拟流向“相对差分”方法为基础,y向采用松驰线性插值算法,所形成的解法能保证以较少的网点获得较准确的结果。边界层的计算采用积分方法,并考虑了紊流边界层的分离问题,文中还介绍了无粘流-边界层的耦合方式。应用本文方法对国内外多种压气机和涡轮叶栅进行了计算分析,所得结果与实验的吻合程度较好,因此,所提出的叶栅流场分析系统,可望为工程设计上实用的计算手段。     

强迫耗散非线性发展方程与完全平方守恒格式

从描述大气和海洋运动的强迫耗散非线性发展方程出发，对强迫耗散非线性大气和海洋方程组显式差分格式的计算稳定性进行了分析，构造了一类强迫耗散非线性发展方程的显式准安全平方守恒差分格式。理论分析和数值试验证明，这类显式准完全平方守恒差分格式是计算稳定的，值得推广应用。     

基于边界变差最小的高精度有限差分格式构造

从加权紧致非线性（WCNS）高精度有限差分格式出发,在其重构形式的基础上,根据边界变差最小（BVD）原理,遵循单元边界两侧重构物理量值之差最小的准则,在每个单元内通过两步空间重构,构造了一种新的高精度有限差分格式。一般对WCNS等加权非线性格式的改进都是基于改善色散耗散特性、优化非线性权、提高分辨率等单一途径,将它们作为重构候补函数进行结合,既保持了各自优势所在,又能控制格式整体黏性,所得格式具有丰富的应用场景。通过数值实验,将结果与单一格式进行对比,新格式既能在流场光滑区保证设计的精度,对激波等间断附近的振荡也有很好的抑制作用,提高了对高波数区的分辨率,而且在长时间计算后也有较为精确的结果。面向广泛发展的数值格式,还可以构造出其他新方法,对包含强间断和多尺度的流动问题可以获得更好的结果。     

平板边界层中展向波包型扰动引起的转捩

过去在平板边界层转捩及湍流的研究中,主要考虑的扰动在展向是均匀分布的,这样有利于研究,但在实际问题中扰动形式是多样的,边界层可能是三维的,扰动在展向是不均匀的。对于以往研究的扰动来说,三维平板边界层中的展向非均匀扰动是比较复杂的扰动形式,更接近自然转捩,因此研究这种扰动引起的转捩和湍流具有重要的实际意义。基于此,针对平板边界层,控制方程为无量纲化的Navier-Stokes扰动方程,时间上采用三阶精度的差分格式,空间上展向采用伪谱方法,流向和法向采用高阶精度差分格式,应用数值模拟的方法研究了小幅值和有限幅值展向波包两种情况。通过数值模拟和线性稳定性理论分析小幅值波包的演化,得到了小幅值波包的演化符合线性稳定性理论(LST);分析了有限幅值的展向波包型扰动引起的转捩和湍流,描述了物理空间和谱空间中波包型扰动的演化特征;同时针对不同展向位置进行分析,结果表明不同展向位置的转捩位置不同,但转捩过程和特征是类似的。     

平面柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析

研究了平面柔性欠驱动机械臂中被动关节对系统动态特性的影响 ,在动力学分析的基础上 ,提出了一种基于内共振原理的柔性欠驱动机械臂振动控制方法。在对系统的稳态周期运动进行分析研究的基础上 ,发现处于自由摆动状态的被动关节的平衡位置随系统结构的振动而发生漂移 ,并且被动关节平衡位置的漂移速度和方向与周期输入的振幅有关。提出利用结构柔性产生的振动实现被动关节位置控制的方法 ,通过平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了仿真计算     

Time-domain nonlinear aeroelastic analysis and wind tunnel test of a flexible wing using strain-based beam formulation

A theoretical formulation for time-domain nonlinear aeroelastic analysis of a flexible wing model is presented and validated by wind tunnel tests. A strain-based beam model for nonlinear structural analysis is combined with the Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM) to form the complete framework for aeroelastic analysis. The nonlinear second-order differential equations are solved by an implicit time integration scheme that incorporates a Newton-Raphson sub-iteration technique. An advanced fiber optic sensing technique is firstly used in a wind tunnel for measuring large structural deformations. In the theoretical study, the nonlinear flutter boundary is determined by analyzing the transient response about the nonlinear static equilibrium with a series of flow velocities. The gust responses of the wing model at various gust frequencies are also studied. Comparisons of the theoretical and experimental results show that the proposed method is suitable for determining the nonlinear flutter boundary and simulating the gust response of flexible wings in the time domain.     

带干摩擦阻尼结构叶片振动响应试验

建立了非旋转状态叶片试验系统,正压力加载方案可实现连续调节并较准确测量接触压力.利用该试验系统,对不同接触紧度,接触角度带冠叶片的振动特性及响应进行测试,结果表明带冠叶片出现了共振频率分叉的非线性现象.通过试验分析叶冠接触面紧度,接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果显示接触角度应根据振型综合考虑接触面间相对运动在切向和法向两个方向分量的比例关系进行选取.