有限空间中激波运动的数值模拟

采用一种有限体积的TVD格式模拟喷流产生的启动激波在有限空间内的运动过程。计算获得的激波运动过程与激波在大气中传播时的实验结果一致。在传播过程中出现涡环和多次激波。计算表明,在真空箱为正方体的情况下,激波管出口附近的压力脉冲特性主要取决于有限空间的轴向长度。所得结果对毫秒级激波管喷流模拟装置的真空箱设计有参考价值。     

管道系统激波运动的数值模拟

对激波在管道，活塞腔系统内运动的两种数值模型－－一维非定常气体运动模型的二维轴对称气体运动模型，进行了数值模拟，其计算曲线与相应的实验曲线符合较好，表明基于Ｇｏｄｕｎｏｖ格式的激波运动计算方法能成功地处理含有激波且边界条件复杂的管道系统内气体运动问题，因而能较精确地预测管道系统内详细的和变化过程，特别是预测激波在管道系统内的传播过程。     

面向三维激波问题的装配方法

给出了一种基于非结构动网格技术的三维激波装配方法。在该方法中,三维激波面由被标记为激波属性的网格点连接构成,标记为激波属性的网格点称为激波点。激波点具有两组参数分别代表激波的上下游,利用激波点上下游参数求解R-H关系式获得激波点运动速度。非结构动网格技术的使用允许激波大幅度运动,降低了对初始激波位置的要求。通过引入网格属性定义避免了对计算网格进行分区,增加了装配激波的灵活性。通过球柱体绕流问题验证了该三维装配方法的合理性,针对三维激波装配中比较困难的交点装配问题,通过对三维激波反射以及三维激波相交等算例进行研究找到了可用的三维激波交点运动速度的确定方法,保证了激波运动过程中交点运动与流场求解之间的相容性,获得了相应的装配结果。     

粘性高超声速激波—激波碰撞的计算和分析

本文用特片变量型的隐式ＮＮＤ格式计算了五种类型的高超声速激波－激波干扰流场，得到了清晰的流场结构图画。激波和剪切层等分辨得很清楚。计算的物面压力与实验甚为吻合。借助于激波极曲线，对第４类激波干扰结构进行了分析，解释了干扰引起物面压力增高的原因。     

一种改进的非定常激波装配算法

基于非结构动网格技术和格心型有限体积方法,提出一种改进的非定常激波装配算法,进一步拓展了其在包含有运动激波的非定常流场的应用范围。首先,针对激波在直/曲壁面传播这类问题,分别建立了壁面间断节点的运动模型;其次,为保证激波在大范围运动时装配阵面不产生失真,基于Bézier曲线拟合方法实现了间断节点分布的自动重构;接着,通过嵌入局部网格自动重构模块,提高了算法的计算效率和自动化程度;最后,对于激波相交点的运动,设计了一种根据位移推算速度的方法进行装配。数值算例表明,所提算法能够有效地处理激波传播问题,相比激波捕捉方法可以提取更多的流场信息,同时可以获得流场间断更加直观清晰的图谱。     

RBCC混合室激波串前传运动研究

RBCC中火箭出口流动和冲压流道的空气在发动机混合室中相互作用,形成激波-边界层、激波-混合层等多种干扰耦合的复杂背景流场。为了深入研究发动机工作室混合室内激波串的运动规律,采用非定常数值计算的方法对激波串在混合室中的前传过程进行了研究。计算结果表明,随着反压的升高,激波串的前传过程包含4个运动周期,每个运动周期中均包含缓慢前传和"突跃"前传两种运动模式;激波串结构呈现"弹簧"的特点,在第二运动周期中,激波串前缘的流向长度在16.5mm～21mm周期性变化。进一步分析发现,背景波系在壁面产生的逆压梯度是"突跃"运动产生的主要原因,且"突跃"前传的距离和逆压梯度峰值成正相关;激波串前缘分离激波和反射激波强度的变化引起了激波串前缘激波形态的周期性变化,进而导致激波串在前传运动中呈现类似"弹簧"的伸缩特点。     

模拟存在运动激波流场的无网格自适应算法

将无网格自适应算法发展用于求解存在运动激波的非定常流动问题。为了降低初始布点要求,同时提高对运动激波的分辨率,提出了一种结合点云加密和点云粗化的动态点云技术。采用该技术,在非定常计算的每一个时间步,首先通过基于压强梯度的流场探针识别出激波所在位置,然后对激波附近点云进行加密,从而提高对激波的分辨率,同时对远离激波的点云进行粗化,尽可能减少冗余节点,提高计算效率。采用所提出的无网格自适应算法求解了N-S方程,首先对一维运动激波问题进行了数值模拟,通过将数值模拟结果与精确解比较,验证了所提算法求解存在运动激波的非定常流动的可行性,在此基础上,将方法推广用于二维非定常流动问题的求解,分别对瞬时激波碰撞圆柱以及双弧翼型激波振荡流动进行了数值模拟,计算结果表明,方法可以显著提高对激波的分辨率,同时相对于直接采用较密布点的非自适应算法,自适应算法在计算效率上具有优势。     

联合使用激波捕获—拟合法求解激波间断的跨声速流场

吸取激波捕获和激波拟合两种方法各自的优点,发展了一种求解有激波的跨声速流场的方法,并对回转叶栅中定常跨声速流场做了计算。计算中,通过捕获法确定初始激波位置,然后经反复修正,拟合出确定的流场通道激波。计算表明,这种方法可自动获得清晰的激波,流场中气流各参数分布合理。这一方法可适用于复杂边界和不同进口M数,计算时间仅比势函数方法多一倍左右。     

可压缩球涡和平面激波相互作用的数值研究

行进了可压缩球涡和平面激波相互作用的数值研究。一方面，用非定常Ｅｕｌｅｒ方程数值模拟了一种可压缩球涡的自身演化，同时，利用Ｒａｎｋｉｎｅ－Ｈｕｇｏｎｉｏｔ关系，在流场中嵌入运动激波，求解了激波－球涡相干的流动过程。     

可压缩流动激波装配在格心型有限体积法中的应用

发展了一种基于格心型有限体积方法(FVM)的激波装配算法。通过定义网格节点属性可以灵活调用激波装配和激波捕捉计算方法。在使用激波装配方法时,激波节点运动速度和下游运动速度通过Rankine-Hugoniot(R-H)关系式获得,同时采用非结构动网格技术描述激波的运动以及调整其他网格节点的位置。流过激波面元的通量为上游单元的基本通量,物理概念更加清晰,通量计算也更为准确。在计算过程中,网格节点属性可以发生变化,以此实现对带有拓扑变化流场的描述。数值试验表明:本文提出的计算方法不但具有较高的计算精度,同时能有效地避免由于捕捉激波而出现的数值问题。     

运动激波和旋涡相互作用的实验观察

本文介绍了平面运动激波和单个旋涡二维相互作用的实验。实验在方截面激波管中进行，实验中拍摄了激波和旋涡相互作用全过程的纹影照片，实验结果发现，运动激波通过涡核时发生激烈变形并在波后流场中产生圆柱形声波。     

楔—后掠柱激波干扰流场和热流的工程算法

本文针对航天飞机机翼前缘的简化模型,即楔-后掠柱模型,在大后掠、高超声速条件下,提供了一种计算柱体前缘激波干扰流场和热流的工程计算方法。在中国科技大学流体力学实验室的激波风洞中取得了激波干扰的流场显示结果。计算的结果与国内外实验数据的比较表明,这是一种有效的方法。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近力界层发生的相互作用，既不同于定常的激波边界层干扰，也与普通激波管中端壁波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明，激波与边界层作用后，波面在壁面附近发生了明显弯曲，且触及壁面；弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射，由于波前气流速度不同，这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型；由于激波反射，波后壁面附近形成了一个高压区；激波与边界层     

在激波管中实现“固定模型”双波斜相互作用的研究

本文在电控双驱动激波管实验技术的基础上,探讨了国外双波斜相互作用的各种实验方案和装置,提出并初步实现了在电控双驱动激波管中进行平面运动激波与固定模型上的头激波斜相互作用的实验方案。在第一激波名义马赫数M_s1=3.5,4.0,4.5下,对双驱动激波管进行了波系运动状态的计算以及双波斜相互作用流场干扰角(或称相互作用角)等的计算。荻得了在这些状态下的双波斜相互作用的纹影照片。实验结果表明,实验所测得的平面运动激波与尖劈模型的干扰角与计算结果基本一致。     

上游激波干扰时斜激波串受迫振荡特性实验研究

为了研究斜激波串在与上游激波相互干扰时对下游周期性扰动的响应特征,在来流为马赫数2.7的直管道上游设计了一种等宽度斜楔,在下游中心截面位置安装了旋转的椭圆凸轮,以产生类正弦形式的周期性反压扰动,采用了动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速技术等手段进行了试验。结果表明:内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂背景流场,在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。下游产生的正弦形式的周期性扰动会沿着边界层亚声速混合区域逆流前传,引起壁面压力脉动和斜激波串的周期性振荡运动,振荡频率与反压扰动频率相同。在管道内均匀流场中,斜激波串受迫振荡运动的幅值随着反压扰动频率的增加而逐渐减小。在内置斜楔的管道中,斜激波串受迫振荡运动的幅值大大减小,而且随着反压扰动频率的增加基本保持不变。以文中fs=21Hz为例,斜激波串在上游激波干扰中的受迫振荡幅值仅为在均匀来流中振荡幅值的22%。     

一种基于聚类分析的二维激波模式识别算法

在激波捕捉求解器计算的可压缩无黏流场基础上,提出了一种探测并识别二维激波干扰模式的新算法,从3个层面详细介绍了该算法的实施流程。首先,采用基于当地流场参数设计的传统激波探测方法,辨识出激波附近的一系列网格单元;其次,通过经典的K-means聚类算法将这些激波单元划分成许多簇,并根据簇的相邻信息定义每个簇的类别;最后,设定相关准则对某些紧邻的簇进行合并,进而确定各个激波干扰点的位置,记录各条激波分支所对应的簇,采用Bézier曲线拟合算法分别对其聚类中心进行拟合以获取更加光滑的激波线。数值试验表明,该算法不受网格类型的限制,不仅可以保证最终拟合的激波线具有较高的位置精度,还可以清晰地识别出流场中多激波干扰的模式,同时对分析非定常流场中激波的运动与演化过程也提供了一种有效的可视化手段。     

二维双楔外形穿越激波流场特性及其数值分析

用数值方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了双楔外形物体超音速穿越与之同向运动激波以及逆向运动激波两种穿越激波的全过程，给出了穿越过程中流场与运动激波产生剧烈的干扰所形成的复杂波系结构，两种穿越情况的激波干扰都呈现双马赫反射的特征。在追击穿越中，楔形物体追上激波后所受阻力急剧的变小；而在碰撞穿越过程中，物体碰到激波后阻力急剧增加，两种穿越情况楔形物体的气动力都发生的剧烈的改变。     

运动激波绕尖劈流动的研究

在激波管中进行双尖劈二维外形的激波绕流数值计算和实验研究,入射激波,Ｍ＝１．８,用激光全息双爆光技术定量测定各瞬时的密度场。计算采用欧拉方程和有限体积法进行离散并采用高精度的ＴＶＤ差分格式,计算与实验两者之间的比较,表明本文采用的计算方法对于解决尖点的绕流十分奏效,根据计算所获得的运动激波系,能够判断局部区域实验测量的密度场梯度方向,从而使密度场的定量测定获可靠度的结果。     

超燃发动机激波增强混合的数值研究

采用数值方法求解三维可压ＮＳ方程,模拟了斜激波增强超声速氢／空气混合的过程。对不同强度 激波混合增强的效率进行了比较。计算表明利用斜激波增强混合是一种行之有效的方法。     

入射激波与飞行器头部激波干扰流场的计算方法

本文论述了入射激波与飞行器头部激波相交后的二维或轴对称干扰流场的计算方法。它是文[3]建立的具有最小耗散系数、保持解的单调性、一阶与二阶自动调节的混合格式的推广。通过对绕楔、球头和锥三种干扰流场的计算表明,本文的方法是可靠的,具有较高的精度,可用于多重间断问题的流场计算。