旋转圆柱对翼型气动特性影响的数值模拟研究

采用数值模拟的方法研究了旋转圆柱对NACA0015翼型气动特性的影响,着重分析了前缘旋转圆柱转速比和缝隙大小对翼型升阻特性的作用规律以及不同安装位置的高速旋转圆柱结合简单襟翼偏转下的翼型气动力特性。结果表明,高速旋转的圆柱代替翼型前缘可以有效地抑制翼型背风区的流动分离,延缓边界层的发展从而改善翼型气动特性。前缘旋转圆柱理想的转速比在4附近,缝隙在2.5mm至1.5mm之间可以满足使用要求。简单襟翼结合前、后缘高速旋转圆柱情况下翼型的气动力特性可以比拟精心设计的多段翼型。旋转圆柱具有增升减阻效果显著,需要主动输入的能量极少等优点,是一种具有良好应用前景的边界层流动控制技术。     

考虑横流与旋转对湍流边界层影响的分析

本文分析了在湍流边界层方程中考虑横流以估计近壁面存在横流引起的动量输运和旋转影响。计算二维湍流边界层的Pantakar-Spalding基本方法仍然毫不困难地被使用在这个分析中,以不失计算的简单性。文中算例表明,用本文分析所得的边界层计算结果更符合于实验值。     

旋转爆轰发动机工作过程的数值模拟

为了深入研究旋转爆轰发动机工作过程,采用高精度高分辨率迎风通量分裂格式(AUSMPW+)、氢氧7组分8反应化学动力学模型,求解三维带化学反应的Euler方程。对旋转爆轰发动机工作过程进行了数值模拟,分析了采用预爆轰管点火过程的流场特征以及整个发动机推力、推力偏心距、侧向力随时间的变化规律。计算结果表明:切向预爆轰管紧贴喷注入口时,点火过程仅产生一道单向爆轰波,能成功点燃旋转爆轰发动机;在本文给定的计算条件下,旋转爆轰发动机平均推力约180N,旋转爆轰波传播频率约为14285Hz;旋转发动机正常工作过程中,推力偏心矩、侧向力随时间周期性变化。     

褶皱结构对蜻蜓后翅的气动特性影响分析

褶皱结构是否能对蜻蜓后翅气动性能产生正面的影响,对蜻蜓后翅气动性能的影响是否与雷诺数(Re)相关。建立接近真实蜻蜓后翅的三维蜻蜓后翅褶皱模型和拥有同样外形的三维平板模型,利用计算流体力学方法分别计算两个模型在不同Re、不同攻角(α)下滑翔飞行时的气动特性。结果表明:褶皱结构的存在会明显提高蜻蜓后翅的升力,但是同时也会增大其阻力;不同Re情况下,褶皱结构对蜻蜓后翅气动性能的影响不同,当Re=1 000,α=0°～25°时,蜻蜓后翅的气动效能始终略优于三维平板;褶皱结构对蜻蜓后翅气动特性的影响与α也相关,α较大时蜻蜓后翅的气动效能略优于三维平板。     

弹丸旋转空气动力效应非定常数值模拟

准确计算马格努斯力和力矩对旋转弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都至关重要。采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对高速旋转的SOCBT弹丸进行了数值模拟,纵向气动特性在整个攻角范围内都较好地与试验值保持一致,而侧向气动特性马格努斯力和力矩在小攻角范围与试验数据吻合较好,在大攻角范围却存在一定的差异。采用延迟分离涡模拟(DDES)方法的计算结果有较为明显的改善,对比研究表明分离点位置对马格努斯效应有着显著影响。表明DDES方法对于提高旋转弹箭马格努斯效应的数值模拟精度有较大的潜力。     

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

旋转弹体马格努斯效应数值模拟方法研究

旋转的弹体通常会存在马格努斯效应,严重影响飞行稳定性和弹道轨迹。提出基于旋转壁面法的多对称面弹体旋转效应数值模拟方法,无需借助动网格和多参考系模型,仅需要将旋转速度附加壁面,即可使用定常方法模拟马格努斯效应;同时,使用SOCBT标准弹体模型对该方法进行验证分析。结果表明:计算值与试验值吻合较好;由于旋转引起的附面层堆积以及大攻角分离效应、激波的干扰,计算时附面层的网格节点要足够密,并且应该针对不同的攻角选择精度与效率兼顾的计算模型。     

计算网格对气动力气动热数值模拟影响的研究

以二维圆柱钝头超声速流场为研究对象,应用计算流体力学方法研究了计算网格在气动力及气动热数值模拟中的影响.计算程序中对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果表明,壁面法向第一层网格间距、网格长宽比以及扩张度等因素都会对壁面摩阻、热流的计算产生影响,尤其是壁面法向第一层网格间距影响最为突出.边界层的计算结果与实验数据进行了仔细对比,包括壁面压力分布,摩阻系数Cf分布,斯坦顿数St分布等.高马赫数滞止气流导致壁面附近产生巨大速度梯度以及温度梯度,这些梯度的准确计算需要合适的壁面法向第一层网格间距以及合理的网格长宽比、扩张度.     

旋转盘腔紊流流动的数值研究

为了比较近壁紊流模型对旋转盘腔内流动特征模拟精度的影响，采用在核心区选用标准k-ε模型、在近壁区选用单方程和Launder-Sharma两方程两种低雷诺数模型的区域紊流模化方法，对具有径向出流的转-静盘腔和具有径向出流的共旋盘腔结构的流动进行了数值计算研究，计算结果表明：在计算的两个算例中，前者采用近壁单方程模型要稍优于两方程模型，后者采用近壁两方程模型要明显优于单方程模型，因此近壁区紊流特性的处理对旋转盘腔内的流场模拟精度具有重要的影响。     

旋转对气膜冷却影响的大涡模拟

采用大涡模拟,考察了旋转影响气膜冷却的物理机制。参考实验模型,用带有30°倾斜圆柱孔的平板模拟涡轮转子叶片的吸力面,冷气出口雷诺数为1300,冷气和主流的吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.2两种条件下的流动和换热,全面展示了旋转对平均流场、涡量、湍流结构和壁面温度分布的影响,并由此对实验现象进行了解释。结果表明,旋转使气膜孔下游的对转涡对产生不对称性;旋转引发的哥氏力使气膜冷却流场中的发夹型漩涡结构向高半径方向偏移,引起涡量分布的改变;旋转破坏了发夹涡的连续性,减少了对主流的卷吸和主流传递给冷气的热量,从而提高了冷却核心区的冷却效率,与实验中观察到的现象一致。     

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。     

高速自旋飞行体的气动加热特性

一种典型的弹箭类高速自旋飞行体为例,选取目标在超声速、跨声速、亚声速飞行状态下的弹道计算数据作为来流条件,结合滑移网格和多坐标系法,采用基于密度的耦合隐式算法、Roe-FDS(flux difference splitting)通量格式和SST(shear stress transfer) k -ω湍流模型,对飞行体的外流场进行了热流模拟研究。重点分析了目标在高速自旋飞行条件下的壁面压力、温度、气流密度、热流率、湍流动能等变化规律,并与不考虑飞行体高速自旋的流场进行了对比研究。研究结果表明:在高速自旋飞行条件下,飞行体表面的流线相互干扰,贴壁气流对飞行体产生的扰动更加剧烈,飞行体尾部的气流集聚效应明显,湍流发展与演化过程更加复杂,飞行体壁面的气流速度、压力、温度、热流率均高于无转速飞行情况,尤其在超声速飞行条件下的差异显著。     

两个涡轮叶栅跨声速流场的数值模拟

采用CFD软件CFXTASCflow时两个涡轮叶栅跨声速流场进行了分析，其中一个为高压涡轮导向器环形叶栅，另一个为高压涡轮动叶中截面平面叶栅，计算结果与试验数据吻合良好。     

一种强螺旋流现场的数值试验研究

螺旋流一般通过切向进流、安装导流片或旋转管道三种方式产生，但Horii等人通过实验发现有三种装置也产生了非常稳定的螺旋流。本文利用数值模拟对其中的一种螺旋流形成过程与机制进行了研究，计算结果证实了双涡结构向单涡结构演化现象并揭示了收缩管道的优点以及不同倾向进流的区别。在数值模拟时本文分别选取了线性、二及三阶涡粘性涡流模式，但数值实验表明线性与二阶模式的计算结果差别不大，说晨在数值模拟湍流螺旋流时二阶涡粘性模式作用不大。而三阶模式则表现出具有预测对称性进流向非对称结构转化的能力。     

风向变化产生的航母甲板涡结构特征研究

利用FLUENT对LHA船型进行数值模拟,将计算结果与LHA的风洞实验数据对比分析,验证了数值模拟的准确性.对全尺寸的美国CVN船型分别计算了0°和右舷20°风向角时的气流场工况,得到了舰载机降落航线上的速度分布,并且计算结果和实验值吻合得很好.通过涡量等值面和二维截面流线图,发现船首后面的涡的分离,甲板中心涡的周期性脱落,岛型建筑后面强烈的涡脱落以及甲板上不同涡旋的相互作用和演化过程.分析发现船体的整体尺寸和岛形建筑的形状和位置会影响船后涡旋的强度和位置.     

圆自由射流多尺度涡结构迁移特性的实验研究

在流场背景湍流度比较大或流场中涡结构的尺度范围比较宽的情况下，为了研究湍流场中不同尺度涡结构的迁移速度，用IFA300双通道恒温热线风速计和两个热线探针测量圆自由射流中心线上距离一定的空间两点同一时刻的流向速度分量，用子波分析提取了每一个探针输出的不同尺度的脉动速度信号，计算了两个探针输出的同一尺度脉动速度信号的互相关函数，利用互相关函数达到最大值对应的延迟时间研究了湍流多尺度涡结构的迁移特性。实验结果表明：不同尺度涡结构具有不同的迁移速度，小尺度涡的迁移速度较大，大尺度涡的迁移速度较小。其中，一部分尺度的涡结构是湍流中的主要结构，该尺度涡结构对湍流的贡献也是主要的，其迁移速度与实验测得的湍流平均速度较为接近。     

飞机增升装置的数值模拟研究

增升装置的设计是飞机设计的一项极其重要的内容.本文通过多块网格技术生成计算网格,运用全湍流SST(Shear stress transport)模型和带有转捩修正的SST湍流模型对飞机三维增升装置的气动力特性和流场特征进行了数值模拟研究,通过对数值计算结果与实验结果的对比分析,研究了两种湍流模型的特点及其在飞机增升装置...     

GAO-YONG湍流模型对湍流传热的数值模拟

将GAO-YONG湍流模型应用于湍流传热的研究,分别计算了平板剪切湍流和二维平面冲击射流的湍流传热问题.边界层剪切湍流流动与换热的计算表明:与传统的湍流模型不同,GAO-YONG湍流模型不需要对近壁区域做任何特殊处理(比如壁面函数、低Reynolds数修正等)即可模拟出从壁面到主流区的全部流动与传热情况;另外,对于冲击射流Nusselt数的模拟也得到了与实验符合较好的计算结果,准确地捕捉到了2种冲击高度下流场换热的不同特征,表明了GAO-YONG湍流模型能够较高精度地计算湍流换热.      

基于火焰面模型的超声速湍流燃烧数值模拟研究

在非结构混合网格有限体积框架下,将RANS方程和层流火焰面模型相结合,开展超声速湍流燃烧流动数值模拟研究,时间和空间离散分别采用LU-SGS格式和HLLC格式。用SST k-ω模型模拟湍流,FlameMaster 3.9生成火焰面数据库,并采用β-PDF和δ-PDF分布来考察湍流和化学反应的相互作用。采用该数值方法,对DLR氢燃料超燃燃烧室和北航乙烯燃料气动斜坡超燃燃烧室开展了数值模拟研究,并将数值计算结果与实验数据进行对比,二者符合较好。研究结果表明:在主流中心支板顺流喷射超燃燃烧室内,燃烧主要发生在支板后的燃料/空气混合层内,并且火焰核心落在恰当混合物分数Zst附近区域。 