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。     

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。     

抛物化Navier-Stokes方程在求解高超声速流动稳定性分析 的基本流中的应用

通过在边界层内部使用边界层上缘的流向压力梯度代替该处的流向压力梯度,对传统抛物化Navier-Stokes(PNS)方程求解中的流向压力梯度的处理方法进行改进,从而使它可以求解用于稳定性分析的高超声速流动的基本流,并分别计算了平板、零攻角钝锥和小攻角钝锥三种典型算例.对于流向没有分离,且横向流动不强的流动,使用PNS方程计算高超声速流动稳定性分析用的基本流是可靠的.特别是改进后的方法求得的基本流的稳定性分析结果与直接求解Navier-Stokes(N-S)方程的结果非常吻合,但计算的时间消耗和空间占用都减少了一个数量级.     

高精度差分格式在机翼分离流计算中的应用

用一个模型方程分析了边界层方程的数值稳定性 ,指出稳定性问题会随计算雷诺数减小而变得严重 ,因而对较低的Re数 ,计算分离边界层流动采用高阶精度差分格式十分必要。本文同时给出用四阶精度差分格式求解在流动分离情况下边界层方程的技术方法 ;对一个大展弦比后掠翼在攻角等于 1 4°时计算了机翼上表面的分离线 ,并与文献上公布的用别的测算方法测出结果做了比较 ,两者总体上符合良好     

超声速绕凹角流动的压力分裂形式简化N－S方程数值解

本文从压力分裂形式的简化Ｎ－Ｓ方程出发，用Ｒｕｂｉｎ格式对超声速粘性流动进行了数值求解，给出了超声速绕凹角附着流及带有小分离气泡流动的结果，与其它数值方法所得结果相比，符合较好。     

超声速绕凹角流动的压力分裂形式简化N—S方程数值解

本文从压力分裂形式的简化Ｎ－Ｓ方程出发，用Ｒｕｂｉｎ格式对超声速粘性流动进行了数值求解，给出了超声速绕凹角附着流及带有小分离气泡流动的结果，与其它数值方法所得结果相比，符合较好。     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

Sajben跨声速扩压器分离流动中湍流模式数值研究

为研究湍流模式对激波/湍流边界层干扰内流流动的影响,提高数值计算准确度,使用SA,SST k-ω,非线性EASM k-ω,Gao-Yong四个湍流模式对Sajben扩压器内激波/湍流边界层干扰流动进行了数值计算。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。文中展示了四个湍流模式计算得到的壁面压力、速度剖面、摩阻系数等分布。计算值与实验值符合很好,四个湍流模式总体上能够较好地模拟扩压器内激波/湍流边界层干扰复杂分离流动。Gao-Yong湍流模式对分离区内的压力、速度型的模拟更加准确,而非线性EASM k-ω模式对分离再附点位置计算最理想。     

超声速二维湍流分离流动的数值解法

本文采用层流中引导简化N-S方程的方法,建立了简化的湍流运动方程组,分别用零方程、一方程模型计算了绕二维压缩拐角的湍流分离流动。数值求解用显隐式的反扩散格式。     

耦合Navier-Stokes方程的可压缩边界层数值求解

为了在Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合eN方法进行转捩判断,在RANS方程求解过程中耦合求解了可压缩层流边界层方程为判断转捩提供了精确、可靠的边界层信息.利用等熵关系由RANS方程求出的物面压力分布确定边界层外边界的速度分布,进一步确定出边界层外边界.边界层方程的求解使用Keller提出的二阶BOX方法.为了验证方法求解边界层方程的正确性,在低速流动状态下将计算结果和XFOIL的计算得到的边界层解进行了比较,二者吻合较好.     

跨音速翼型分离绕流的粘性/无粘干扰迭代计算

本文用有粘/无粘干扰迭代的概念计算了跨音速任意翼型的绕流问题。位流的速位方程用AF2格式求解,而边界层微分方程用C-S盒式法求解,逆算法的引用可以克服边界层方程在分离点处的奇性问题,对分离区湍流代数模型的修正可以得到与实验更吻合的结果。计算结果表明有粘/无粘干扰迭代概念在小分离泡的情况下也是适用的。     

基于混合RANS/LES方法与FW-H方程的气动声学计算研究

在气动噪声的数值计算过程中,非定常流动的求解精度对声学计算结果有着重要的影响.以机体噪声计算的标准算例双圆柱绕流气动噪声问题为研究对象,采用基于非线性k-ε湍流模型的限制数值尺度(LNS)方法对双圆柱绕流进行了数值模拟,将计算得到的气动特性和流动特征与相应的试验结果进行了对比分析.为了求解远场观测点处的气动噪声,在精确求解双圆柱绕流流动的基础上结合基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的声类比方法进行数值计算,并通过圆柱体的展向相关性对计算结果进行了修正,将得到的最终结果与相应的声学试验结果进行了对比,两者吻合良好,表明该数值方法是准确、可靠的.     

NS方程计算中耦合转捩自动判断的阻力精确计算方法初探

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合了流动转捩的自动判断以提高现有求解器预测翼型阻力的准确性.由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用简化的eN-数据库转捩判断方法分析层流边界层的解得到转捩点的位置,这样随着流场的迭代求解求解器自动判断转捩点的位置.在对NLF0416翼型的气动性能计算中考虑流动转捩的因素后得到的翼型升阻力特性和实验吻合较好,验证了本文方法的正确性.     

应用GAO-YONG湍流模式数值模拟三维激波/湍流边界层干扰

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟了三维激波/湍流边界层干扰算例之一——单鳍流动.攻角20°,来流马赫数2.93,雷诺数9.8×105.对流项和扩散项分别采用Roe格式和二阶中心差分格式计算.Runge-Kutta显示时间推进方法求解了半离散的控制方程.包括壁面压力分布,边界层内流动偏移角等在内的计算值与试验数据进行了比较.准确地预测出了三维激波/湍流边界层干扰流场的主要流动特性——λ波结构,主分离涡核,膨胀区,滑移线等.计算与Alvi等提出的单鳍流动的理论模型符合很好,得到了平板表面压力以及分离线、再附线等在单鳍流动中所独有的半圆锥特性.      

跨声速翼型绕流计算边界层反方法的研究

本文用有限差分方法,通过有粘/无粘迭代计算了二元翼型的跨声速绕流问题。在边界层粘性区域内考虑了层流、转捩及湍流流动,当边界层内出现分离时,使用边界层反方法,采用代数湍流模型。算例表明,对激波/边界层弱干扰和强干扰情况,该方法的结果与风洞实验结果吻合良好,对于求解边界层小分离流场是一种好的近似方法。     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

高超声速激波/边界层干扰流动数值模拟研究

在基于Roe格式的全Navier-Stokes方程计算流体力学(CFD)代码中,发展了一种局部熵修正方法,克服了传统熵修正方法在边界层流动模拟中耗散过大的缺点,可用于更加准确的模拟激波/边界层干扰的复杂高超声速流动。对典型高超声速双锥边界层分离与激波干扰的复杂流动进行了模拟,研究了网格密度和熵修正方法耗散性对计算结果的影响。研究表明:高超声速双锥边界层分离与激波干扰流动的数值模拟结果对网格具有很强的敏感性,过稀的网格将产生严重的分离流动预测偏差;低耗散性的局部熵修正方法能更加准确地模拟复杂的高超声速激波与边界层分离流动干扰现象。     

导弹水下点火的流体动力研究

对轴对称导弹水下点火这一非线性瞬态流动提出以下数学模型及求解方法。水流场假设为理想不可压势流,用边界积分方程法求解;喷管中的燃气流动按准一维非定常无粘完全气体流动处理,用逆步有限差分格式的特征线法求解;喷入水中的燃气流采用简化的等压泡模型,用Euler-Lagrange方法模拟气泡的演化。按照时间步进方法实现了水、气流动和物体运动的数值耦合求解。数值实验结果反映出导弹水下点火时水气流动的一些重要特性。     

等速上仰翼型绕流结构的数值模拟

通过数值求解涡量-流函数形式的N-S方程研究等速上仰翼型的分离流动结构。用ADI方法解涡量方程;用Poisson方程直接法解流函数方程。在计算得到的流场中除可看到实验中观察到的多涡结构外,还发现一些实验中未观察到的现象。将分离流动结构的计算结果与翼型气动力变化相联系,并结合涡动力学理论,定性地解释了上仰翼型产生高升力的原因。     

入射激波边界层干扰分离流场结构研究

入射激波边界层干扰易导致边界层分离,为了分析其局部流场结构,捕获局部高压、高热区,掌握分离泡的大小,本文针对入射激波导致的边界层分离流场,构造简化模型,辅助以极曲线理论分析描述,结合自由干扰理论、激波关系式以及分离区长度工程估算首次给出完整的理论求解。该理论模型可快速获得流动图画,给出流场参数分布,便于分析整体流场结构,并得到了很好的数值验证。运用该理论模型对分离泡高度进行了参数化分析,分离泡高度随来流马赫数的增大先略有减小再增大,同时是外压缩角以及飞行高度的增函数。