粘性量子流体动力学模型的Zero-space-charge极限

粘性量子流体动力学模型具有一定的实际意义和理论价值,是半导体研究中的重要组成部分.粘性量子流体动力学模型是由电子密度,电流密度所满足的两个守恒方程和Poisson方程所组成的.一维稳定状态的粘性量子流体动力学模型是我们的研究对象,研究目标是此模型在一定条件下的Zero-space-charge极限的存在性.     

不可压粘性流体力学初值问题的拟变分原理及其广义变分原理

利用Laplace变换将不可压粘性流体动力学的方程与边界条件变换到象空间上,同时也就把初值条件引入到象空间的方程内。然后在象空间利用变积方法建立不可压粘性流体动力学的拟变分原理和广义拟变分原理,再将它们拉氏反演到原空间内,即得时间域内的不可压粘性流体动力学的变分原理及其广义变分原理。最后用一个具体的例子对原理的应用进行了说明。     

飞行器自激振荡的流动物理与动力学机制

全局亚迭代耦合求解流体动力学方程和刚体动力学方程,研究轴对称飞行器单自由度俯仰失稳运动的非定常特征.高超音速锥-柱-裙飞行器的单自由度俯仰失稳运动发展为极限环形式,周期性运动伴随着波系结构的非定常变化;自激振荡源于静稳定构型的振动回复机制和尾裙激波流动迟滞效应所构成的阻尼机制.基于第二拉格朗日方程和虚功原理,导出能够描述迟滞现象的参数化非线性动力学模型.多尺度近似分析获得参数化运动特征:自激振动过程是拟简谐运动;静稳定构型才能出现自激振荡周期运动;平衡点阻尼是决定运动稳定特性的分叉参数;振幅特性与阻尼非线性相关,频率特性与刚度非线性相关.基于数值结果的参数辨识,非线性模型的理论分析、重构都与数值结果高度一致,从而有效地佐证了自激振荡建模研究的合理性.     

Burgers方程高精度差分格式分析

以非线性扩散波动方程Burgers方程为模型,通过调节方程右端粘性项的大小,在分析了方程的性质的基础上.探讨方程左端项和右端项差分离散格式匹配问题,以及高精度格式稳定性影响和计算格式精度与粘性系数和计算网格之间的关系等问题.研究结果将对方程左右端项离散时应如何采取合适的差分格式有一定的指导意义.     

跨声速涡轮叶栅三维流场的数值模拟

以具有试验测量数据的一个高压涡轮动叶中截面平面叶栅和一个高压涡轮导向器环形叶栅为对象,采用计算流体动力学(CFD)软件CFX-TASCflow,对两个涡轮叶栅的跨声速三维粘性流场进行了数值计算,验证了CFX-TASCflow软件在航空燃气涡轮设计计算中的可靠性,并对所研究的跨声速涡轮叶栅粘性流场进行了分析.      

受DBD等离子体控制的低速流动数值模拟方法研究

基于正离子、电子和氧负离子的三组分空气DBD等离子体动力学模型和流体动力学方程,利用有限体积方法处理控制方程空间项,采用双时间步方法模拟非定常过程,对DBD空气等离子体动力学模型方程和流体动力学方程松耦合求解,数值模拟了高压交流电源激励的低速空气等离子体流动过程。仔细研究了一个周期中真实时间步长对模拟DBD等离子体形成过程的影响,给出了等离子体的形成历程以及等离子体对低速翼型边界层流动的影响,结果在定性上是合理的。     

固体火箭喷管两相粘性跨音速流场计算

本文进行了固体火箭喷管两相粘性湍流跨音速流场计算.粘性的气相控制方程用隐式近似因子分解法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,粘性湍流选用代数模型,气相和凝相充分地偶合.CFL数可以取500左右,收敛速度快,使粘性两相跨音速喷管流场计算耗费的机时达到工程计算可以接受的程度.通过计算,获得了在粘性和粒子同时作用下的流场参数分布.这对固体火箭发动机流场需要同时考虑粒子和粘性作用的专题研究大有裨益.     

典型高超声速翼身组合体粘性干扰效应模型研究

基于粘性干扰效应的理论研究基础,利用数值模手段获得复杂高超声速外形的气动力数据,建立了完全气体条件下纵向气动力系数的粘性干扰模型;以相对正交距离的形式,给出了粘性干扰模型预测结果的不确定度量化分析。研究表明:从粘性干扰参数的理论研究出发,结合数值模拟手段,是研究高超声速复杂外形粘性干扰效应的有效手段;利用粘性干扰参数和迎角的组合,可以建立具有一定精度的粘性干扰模型,从而将不同高度、马赫数和迎角下的高超声速气动力数据进行关联;利用具有较高计算效率的Euler方程结果,结合粘性干扰模型的修正,获得大规模的用于飞行器设计的气动数据,并建立相应的气动数据库,对于工程设计是一种较为高效、经济的选择。     

计算三维粘性／无粘性干扰流动的准联立分区算法

 应用摄动理论导出了粘性／无粘性流动的匹配条件，与边界层方程联立形成能计及粘性／无粘性干扰效应的模型方程。同时引用等效吮吸理论对该模型方程与全位势方程进行交替迭代求解，建立了计算高雷诺数流动的一种快速收敛的粘性／无粘性分区算法。计算结果表明该算法适用于包括小尺度分离的流动；与传统的半逆解法相比，计算效率明显提高     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

撞击载荷作用下固体火箭发动机安全性分析

以机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型为基础,考虑推进剂基体粘性加热,结合热粘弹理论和动力有限元法,分析计算发动机结构撞击变形及装药内部热点形成,确定产生高温热点撞击临界速度.通过对含能材料Steven撞击试验、小型试验发动机撞击试验分析计算及结果对比,证明了理论模型及计算方法的有效性.     

叶尖泄漏流对压气机稳定性影响的数值分析

为研究叶尖泄漏流对稳定性的影响,发展了一种叶尖泄漏涡模型,并且在由课题组开发的TUSIAC(three dimensional and unsteady stall inception analysis code)程序中实现。该程序将转/静子叶排模化为三维激盘,并在无叶区求解三维非定常欧拉方程,黏性的影响通过特性曲线体现,因此对计算资源的要求较低。数值模拟的结果表明:在叶尖间隙的影响下,压气机的性能和稳定裕度均有所下降。叶尖间隙不改变失速先兆的类型,但使得失速团旋转速度加快,周向尺寸减小。所发展的叶尖涡模型能够预测叶尖间隙尺寸对压气机稳定边界与失速起始过程的影响,从而为在设计初期考虑压气机的气动稳定性、并且优化压气机设计,提供了一种较为实用的方法。      

一种新型气动正交静子叶片的设计

分析了轴对称子午流面上力的平衡关系及其流线曲率、气体绕压气机轴线旋转产生的惯性离心力和叶片力三个影响因素,并研究了流动分离的机理和如何对流动分离进行抑制的思路,在此基础上提出了叶片气动正交的准则。采用气动正交准则对某风扇的第一排静子叶片进行了改型设计,获得了气动正交后的新叶片,并对其进行了全三维粘性流场计算,计算结果表明采用气动正交叶片的流场结构明显好于原型叶片。从全三维特性计算结果看,采用气动正交的叶片其喘振裕度也要明显好于原型叶片。     

Hydrodynamic simulation of a stationary plasma thruster in steady state regime

A laboratory version of a stationary plasma thruster which can accelerate a plasma jet using an axial electric field and radial magnetic field in an annular channel is constructed. The dynamics of such a stationary plasma thruster is investigated numerically using a one-dimensional hydrodynamic model of the atoms, electrons and ions. The spatial profiles of ion density and velocity are presented in steady regime.     

Human factors quantification via boundary identification of flight performance margin

A systematic methodology including a computational pilot model and a pattern recognition method is presented to identify the boundary of the flight performance margin for quantifying the human factors. The pilot model is proposed to correlate a set of quantitative human factors which represent the attributes and characteristics of a group of pilots. Three information processing components which are influenced by human factors are modeled： information perception, decision making, and action execution. By treating the human factors as stochastic variables that follow appropriate probability density functions, the effects of human factors on flight performance can be investigated through Monte Carlo（MC） simulation. Kernel density estimation algorithm is selected to find and rank the influential human factors. Subsequently, human factors are quantified through identifying the boundary of the flight performance margin by the k-nearest neighbor（k-NN） classifier. Simulation-based analysis shows that flight performance can be dramatically improved with the quantitative human factors.     

基于隐式嵌套重叠网格技术的阻力预测

 采用一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术,对美国国家航空航天局通用化研究模型(NASA-CRM)翼身平尾(WBT)组合体进行了数值模拟与分析。多层多块隐式嵌套重叠网格技术是结合多层多块嵌套重叠网格处理策略和隐式切割方法,在建立重叠网格之间的流场信息传递关系时,基于网格单元切割准则选择"最优"重叠单元而无需人工设定插值边界。对美国AIAA委员会召开的第4届阻力预测研讨会(DPW-4)提供的CRM WBT组合体生成4种不同密度的结构化多层多块嵌套重叠网格,并采用计算流体力学(CFD)方法进行数值计算和阻力预测,计算结果与CFL3D和OVERFLOW的结果进行了对比。数值模拟结果表明:计算得到的压力分布和极曲线与CFL3D和OVERFLOW的结果几乎相同,说明了隐式嵌套重叠网格技术的有效性,同时也验证了流场求解方法与程序的可靠性。当迎角增大到3°左右时,在机身与机翼、尾翼连接处出现明显的分离涡,影响CRM WBT组合体的气动特性。在阻力预测方面,增加网格密度能够提高阻力预测的精度。采用不同的湍流模型会导致升、阻力系数的计算结果存在一定的差异,因此,湍流模型的选择也是阻力预测需要考虑的因素。     

模型燃气轮机燃烧室中三维气相反应流的数值计算

 本文给出一种模型燃气轮机燃烧室中三维气相反应流流场的数值计算结果。计算中采用了著名的SIMPLE算法,改进的κ-ε双方程湍流模型及湍流扩散燃烧模型。研究了燃烧过程对流动图形的影响。计算结果经过实验验证,两者符合较好。     

浸入式贴体网格边界方法

提出一种基于重叠网格的浸入式边界方法,用以模拟复杂的三维黏性跨声速流动。该方法采用一套固定的笛卡儿正交网格,用以主流的求解;采用一套可以移动的贴体等距面网格,用以拟合或者离散物面的作用力,通过空间插值,实现两套网格重叠部分的信息传递。分析了浸入式贴体网格边界方法的优势,介绍了贡献单元的寻找策略和物理通量的插值方法。流场求解采用Spalart-Allmaras带湍流模型的Navier-Stokes方程组,其中对流项采用流通矢量分裂和5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)-Z格式离散,黏性项采用6阶中心差分格式离散,时间项采用龙格库塔显式格式离散。数值验证算例表明:该方法具备高于4阶的空间求解精度,并适用于刚体动网格非定常流场模拟,且无需更新网格形状。等距面贴体网格生成过程简单,避免了繁琐的人工调节过程,与笛卡儿网格结合,可提供足够的壁面附近网格密度,同时有效减少了网格总量需求。     

飞机油箱水锤效应研究方法及影响因素

油箱是飞机生存力研究中的关键部件,水锤效应是油箱的主要破坏方式之一。概述了国内外在飞机油箱水锤效应研究中取得的一些进展,包括水锤效应数值模拟方法、试验方法,水锤效应的影响因素,基于水锤效应影响的油箱结构设计等。综合国内外理论研究、仿真分析和试验结果,得出弹片材料、弹片速度、箱体空气比例等都是水锤效应的影响因素。研究成果可为进一步开展水锤效应研究提供参考。