基于分离涡模拟的起落架气动噪声研究

用基于SA湍流模式的非定常RANS、分离涡模拟(DES)和延迟分离涡模拟(DDES)分别对四轮基本起落架模型进行了数值模拟,并根据所得的非定常流场计算了表面声压级分布和声压谱。三种方法所用的时间成本大致相同,URANS略低于其它两种,而DDES由于在附着流动区更好地保持RANS特性,故时间成本略低于DES。计算显示,非定常RANS在附着流动区能够得到合理的结果,但不能准确刻画分离流动的流动形态。DES和DDES都能较好地刻画起落架绕流的定常和非定常特性,DDES的结果略好于DES。因为起落架流动属于大分离流动,所以DES也能够得到相对正确的结果。研究结果验证了分离涡模拟在起落架大分离非定常流动预测与噪声预测中的可行性,对减小起落架噪声的方法研究具有一定的意义。     

细长旋成体背风面非对称流场的DES模拟

利用脱体涡模拟DES方法对细长旋成体非对称绕流进行数值模拟,比较了基于S-A湍流模型的DES与RANS方法对背风面非对称分离涡的数值模拟能力,发现在大迎角非对称涡未破裂情况下,DES与RANS均能模拟出与实验相符的非对称绕流;当迎角增大,背风面非对称涡发生破裂时,RANS无法准确捕捉到背风面流场的非定常性,而DES能准确预测非对称涡的飘起与破裂,并与实验值接近。计算结果表明:与RANS方法相比,DES方法具有更好的模拟大攻角,大分离流动的能力,尤其在非对称流场的分离涡破裂模拟方面具有明显优势,能够更真实模拟出细长旋成体背风面分离涡破裂之后的非定常流动特征。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

分离涡模拟方法在内埋弹舱机弹分离模拟中的应用

为了研究内埋弹舱非定常流场对武器投放分离特性的影响,基于分离涡模拟（DES）方法和非结构重叠网格技术,建立了内埋武器机弹分离高精度数值模拟方法。在此基础上,首先通过典型空腔流动和机弹分离算例验证了数值方法的有效性,然后采用平均雷诺应力模拟（RANS）和DES两种方法探究了机弹分离过程中弹舱腔内涡结构的演化历程,分析了两种方法在机弹分离流场结构模拟中的差异,研究了内埋弹舱流场结构对导弹分离特性的影响。计算结果表明：机弹分离过程中,高强度涡结构逐渐向弹舱腔体后缘聚集,同时弹舱剪切层流动结构被导弹破坏,导弹出弹舱阶段俯仰方向所受气动力矩急剧变化。相比RANS方法,DES方法捕捉到的高强度小尺度涡结构对导弹压力分布影响较大,使得分离后期导弹俯仰角、俯仰角速度产生明显差异,DES方法更适合内埋武器舱分离特性精细化研究。该研究结果可为内埋武器机弹分离研究的计算方法选择和安全分离策略提供一定的参考依据。     

使用RANS/LES混合方法对钝前缘三角翼进行数值模拟(英文)

阐述了建立在一方程湍流模型基础上的分离涡模型(DES)和延迟脱体涡模型(DDES),它们很好地模拟了壁面附近的小尺度流动。该方法在大攻角分离流区域,使用了亚格子应力的Smagorinsky大涡数值模拟,模拟亚音速旋涡流动。使用大攻角下的钝前缘65°大后掠三角翼模型,研究了CFD对涡的发展、破裂以及复杂涡的发展和演变的模拟能力。研究结果说明了方法对模拟分离流动是可行的。     

用DES数值模拟具有横向喷流的紊流流场

DES(DettachedEddySimulation)是把RANS(雷诺平均Navier Stokes方程)方法及LES(大涡模拟)方法结合起来的模拟有脱体涡的紊流流场的数值模拟方法。其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文用DES及混合非结构网格数值模拟复杂紊流流场,算法采用Osher逆风格式,对超音速钝头体、三角翼、某型飞机及带喷流的导弹绕流用该程序进行了数值模拟。结果表明用DES模拟有分离的紊流流场是高效的。     

基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的脱体涡模拟（DES）方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动,并对三角翼上翼面的复杂激波-旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明,DES方法能很好地模拟跨音速三角翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角,支架附近的激波越来越强,对主分离涡的干扰作用越来越大,直至出现激波干扰导致的涡破裂。激波的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。     

低雷诺数翼型层流分离现象大涡模拟方法

为准确预测翼型低雷诺数条件下出现的层流分离流动现象,发展了基于结构化拼接网格的大涡模拟方法。控制方程为Favre滤波Naver-Stokes方程,并选用多种亚格子模型。空间离散采用AUSM格式以及高阶WENO格式,时间推进采用显式方法和隐式方法。以SD7003翼型在雷诺数60 000及4°迎角下的层流分离流动为研究对象,对比分析了数值格式、亚格子模型、网格尺度对流场预测结果的影响。数值结果表明:划分的计算网格能够有效解析小尺度流动结构,基于隐式亚格子模型、采用AUSM格式和双时间步推进的大涡模拟方法能够准确预测流动分离、转捩、再附等复杂流动现象,计算得到的平均压强系数与雷诺应力分布与文献数据吻合较好。与转捩模式计算结果对比进一步表明:发展的大涡模拟方法能够准确预测翼型低雷诺数层流分离流动非定常演化过程,为下一步的研究工作建立了有效的数值模拟手段。     

宽速域RANS-LES混合方法的发展及应用

传统的雷诺平均方法(RANS)已经不能满足大范围分离、激波振荡、压力脉动、动载荷等极端工况下的流动预测需求;大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法资源耗费多、效率低,离工程湍流问题仍较为遥远。RANSLES混合方法结合了RANS高效率和LES高精度的特点,近期有望大规模应用到工程湍流问题中。首先对现有的RANS-LES混合方法进行了归类,对各自的构造思想、特点进行了分析。然后报告了脱体涡模拟(DES)类方法的发展历程和现状,讨论了使用DES类方法计算分离流动时,对流项离散格式对分离特性、小尺度结构及频谱特性等的影响,并构造了自适应耗散函数。最后介绍了近年来国内外RANS-LES混合方法在宽马赫数范围(马赫数从0.1到20)内的机理研究和工程应用。现有的以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法能够较为精细地模拟非定常大分离流动中的复杂现象,但在计算效率等方面还有较大的改进空间;植入式DES方法在模拟全机带部件流动上具有较高的效率和模拟精度,是重要的发展方向。RANS-LES混合方法在动态失速、燃烧、气动弹性、气动噪声、气动光学等与非定常流动密切相关的方面也有广阔的应用前景。     

基于DES方法的倾转旋翼悬停计算研究

针对倾转旋翼悬停工作状态,在嵌套网格下数值求解非定常Navier-Stokes方程,研究了流场中的流动及旋翼/机翼间气动干扰。在网格系统中,采用了可自适应的背景直角网格,用于精确捕捉流场中的大尺度涡及其他流动细节。涡粘性计算采用了Spalart-Allmaras(SA)的脱体涡模拟(Detached Eddy Simulations,DES)方法。计算结果与相应的雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方法结果进行了对比,目的在于考察采用不同计算方法得到的流场结构和气动力差异。计算表明,DES方法更细致地描述了机翼下方的分离流动,桨叶通过机翼上方时拉力变化更剧烈,机翼向下载荷比RANS结果小2.3%左右。     

采用RANS/LES混合方法研究分离流动

采用结合湍流模式和大涡模拟(LES)的混合方法数值模拟Aerospatial A-profile翼型以及细长椭球体大迎角分离流动。该类混合方法比较适于模拟分离流动:近壁区附体流动采用湍流模式,而远离物面分离区域内的大尺度运动则用LES方法。通过计算和实验结果的对比,混合方法切实可行并具有很大的发展潜力。     

带压缩性修正的离散涡方法在结冰数值模拟中的应用

离散涡方法（DVM）是一种无网格的涡运动算法,适用于解决易产生分离流的非定常问题,将其应用于结冰过程中的流场求解,在有效模拟分离流动的同时能避免冰形尖角对网格质量的影响。但离散涡方法基于不可压 N-S 方程,无法应用于预测可压缩流动下的结冰过程。本文在离散涡方法的基础上添加普朗特—格劳尔特压缩性修正,进行基于离散涡方法的可压缩流动下的数值模拟,并将其应用于翼型结冰预测;对流场分布、结冰冰形和结冰模型计算过程等仿真结果进行对比和分析。结果表明：引入压缩性修正后的离散涡方法能较好地模拟可压缩流动,与实验值相比,基于该方法得到的结冰数值模拟结果符合良好,对结冰数值模拟在工程上的应用提供了一定的参考。     

分区LES/DES混合方法及缝翼三维流场模拟

提出一种分区大涡/脱体涡模拟混合方法,采用高阶空间有限差分方法和二阶隐式LU-SGS时间推进方法,对有限展长缝翼的三维流场进行了数值计算。该混合方法吸收了脱体涡模拟方法和大涡模拟方法各自的优点,在非核心区域使用脱体涡方法进行计算,相对于大涡模拟方法具有较高的计算效率;相对于分区脱体涡模拟中采用的雷诺平均方法,在计算量没有明显增加的条件下提高了对流场各尺度流动的模拟能力。计算结果与风洞实验数据吻合良好,同时缝翼流场主要观测点的压力脉动数据为后续缝翼噪声分析和低噪声优化提供了基础。     

亚临界圆柱绕流的DES方法比较

针对地面结冰试验设施喷雾系统尾迹湍流模拟需求,考察了3种脱体涡模拟(DES)方法对三维亚临界圆柱绕流预测的准确性,比较和分析了瞬时流动特征和流场统计量。研究发现:1)从瞬时流动特征来看,k-ω雷诺平均NavierStokes(RANS)控制的区域对剪切应力输运k-ωDES(SSTk-ωDES)求解的准确性有显著影响;2)从流动参数统计量的误差范围来看,回流区长度和流向最小速度的预测质量能在一定程度上反应圆柱绕流数值模拟的准确性;3)综合比较,SSTk-ωDES预测值与试验值和大涡模拟(LES)数据最为吻合,具有应用于地面结冰试验设施喷雾系统尾迹湍流计算的潜力。     

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,本文基于DDES（延迟分离涡方法）建立了螺旋桨空化流场数值预报模型。为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨（VP1304）螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。随后基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析。计算结果表明：结本文所建立数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生的越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。     

带自由表面水流的分离涡模拟

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构.深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型.天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用.RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展.然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少.本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

基于非结构/混合网格的脱体涡模拟算法

为了提高二阶精度有限体积算法的湍流数值模拟能力,在原始Roe格式基础上建立了与脱体涡模拟(DES)方法相匹配的二阶混合耗散自适应格式,根据流场信息自动调节格式耗散,并分别基于Spalart-Allmaras一方程湍流模型和k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,发展了基于非结构/混合网格的DES方法。采用该方法计算了雷诺数为3 900的圆柱绕流和NACA 0021翼型60°大迎角分离流两个典型算例,通过与试验数据以及其他数值结果的对比验证了该方法的可行性。同时开展了不同数值格式、湍流模型的对比分析,研究结果表明:采用混合格式的DES算法能够解析更小尺度的湍流涡结构、计算数据更接近试验值;本文的DES类算法受其基准湍流模型影响较小。     

超声速凹槽大涡数值模拟研究

在超声速燃烧室内常采用凹槽增强燃料与空气的混合,实现火焰稳定,本文采用大涡模拟方法对开式凹槽流场进行了数值模拟研究,计算采用Smagorinsky 亚网格模型模拟小尺度涡的作用.数值模拟结果给出了凹槽流动的自激振荡的发展过程,以及凹槽流动中拟序结构的演变过程,如涡的卷起、增长,涡与涡之间的合并、破碎等,计算得到的凹槽波动的峰值频率和理论结果一致.     

涡发生器控制平板边界层分离的大涡模拟

为了研究涡发生器(VGs)间距λ对控制边界层分离效果的影响,选取了4种涡发生器间距,λ/H(H为涡发生器高度)分别为5,7,9,11.采用大涡模拟(LES)方法对带逆压梯度的平板边界层分离流动及VGs控制分离流动进行了数值模拟.分析了有无VGs控制时,湍流场中大尺度相干结构及其演化规律,分别从旋涡间距、边界层内流体动能、压差损失等方面考察了VGs间距对控制流动分离效果的影响.研究结果表明当λ/H为5时,VGs间距过小抑制了旋涡的展向发展,λ/H为9,11时,VGs间距过大边界层内流体动能偏低,当间距λ/H为7时流动控制效果更优,此时计算域压差损失最小,相比较无VGs控制时,压差损失降低了30.95%.      

一种新型的动态RANS/LES混合方法

为解决RANS/LES混合方法过渡依赖网格疏密的问题,使用熵函数fs作为交界面函数构造一种新型的动态RANS/LES混合方法。同时采用脱体涡模拟方法 (DES97),对平板边界层流动、超声速凹腔-压缩拐角流动以及超声速底部流动进行数值模拟,并与实验数据进行对比。结果表明,无论对于附体流动区域还是分离区域,fs都能够动态地指示出边界层的范围。构造的动态RANS/LES混合方法能够显著缓解DES97由于网格因素导致的雷诺应力模化不足的现象,同时保证分离区域涡结构的求解精度。另外,熵函数fs是从能量耗散的角度进行构造,并不依赖于特定的湍流变量,因此更具有普适性。