基于Lattice Bohzmann方法的翼型绕流数值模拟

将通过物理平面的结构化C型贴体网格变换到计算平面的均匀正交网格,引入非均匀网格插值方法,采用基于Lattice-Boltzmann方程的D2Q9模型,对低雷诺数下的NACA0012翼型绕流进行了数值模拟,对五个不同位置的边界层速度型与基于有限体积法的CFL3D程序的结果进行了比较.结果表明,两种方法的计算结果一致.改进后的Lattice-Boltzmann方法适用于曲边边界,非均匀网格,同时对计算速度影响不大.Lattice-Boltzmann方法计算较简单,因而用LB方法来模拟翼型绕流是一种新的选择,并可应用于更复杂的低雷诺数流动中.     

跨音速透平叶栅速度面设计方法的研究

 低能量损失系数跨音速透平叶栅的设计和实现是提高跨音速透平性能的关键问题之一。本文给出了基于有限面积法的跨音速透平叶栅速度面反问题设计方法。首先推导了基本方程的对称形式,用于上游奇点处理,并对速度面上不连续边界条件作了分析和数值验证说明。然后详细叙述了流函数场的有限面积解法包括主方程的积分变换,基本有限面积格式和边角有限面积格式处理以及解精确度的粗略分析。所编制的程序简明快速。计算结果表明解相当稳定并且不需要在音速线附近等处加密网格或作其他处理。算例也指明音速线上临界奇点位置的选取,对流场及叶型型线形状有一定影响,应在设计时注意。     

高阶面元法计算多段翼型之位流

本文给出了一种求解多段翼型位流的高阶面元法。面元和奇点的分布分别采用了二阶和三阶的形式。由于高阶面元法较为精确地反映了绕流体的几何形状和奇点表面分布,本文给出了比低阶面元法更为精确的解,并且消除了低阶面元法计算中经常出现的翼型后缘处解的波动。     

带有分离的翼型的气动力计算

本文给出了一种带有分离的翼型的气动力计算。采用涡面来模拟分离尾流边界,合理选择此涡面的强度,将此会合的分离尾流涡面连同附着流部分的翼型形成当量物体,用计及边界层效应的位流迭代解求解此当量物体。分离尾流边界的形状与分离点位置在迭代求解过程中确定。计算了二个典型翼型,计算结果与试验数据很吻合。     

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。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。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

多段翼型失速分离特性的计算

本文用高阶奇点分布板块法(Panel Method》及边界层理论,对多段翼型的失速性能进行计算。采用分离尾迹的模型,按尾迹是流线用迭代法求出分离尾迹边界(此为内迭代)。在尾迹上配置奇点,然后把尾迹考虑在内进行粘/位流迭代(此为外迭代)。收敛后可得多段翼型空气动力特性,且可计算到失速以后的情况。算例有单段翼型GA(W)-1,NACA 4412,和F111飞机的三段翼剖面,所得结果与实验值能很好地符合。     

基于指数插值的浸没边界法在可压缩流模拟中的应用研究

由于浸没边界法在处理复杂外形和动态问题时具有极强的灵活性和便利性,因而受到广泛的关注。在当前浸没边界法的研究和应用中,主要工作集中在关于中/低雷诺数和不可压流动的模拟。本文引入 Choi 等提出的指数插值法对目标点速度进行插值,并根据多项式插值和 Crocce-Busemann 关系式等确定目标点压力和温度,并借鉴直角网格法中的虚拟网格法计算物面内的流动变量,建立了适用于可压缩流动的浸没边界法。通过亚、跨声速段翼型绕流和超声速圆柱绕流算例对方法进行验证,结果显示在 k 值取值合适时模拟结果与实验数据较为吻合。通过对相关算例网格收敛性分析,证明了本文发展的浸没边界法具有较高的精度。文中各算例的模拟结果表明,此方法能准确捕捉亚、跨、超声速绕流问题中的各类流动结构,适用于可压缩流动的模拟。     

轴对称流中音速线附近的特征线方程

 从Ｏｓｗａｔｉｔｓｃｈ的无粘、跨音速、轴对称无旋流的基本方程出发,在细长体条件下,通过新变量将物理面上的运动方程变成形式简单的速度面方程。利用音速线附近条件对速度面方程进行积分,可得解析解；由此可按Ｃｏｕｒａｎｔ理论推导出音速线附近的特征线方程,结果表明,特征线有两族,均为２／３次幂曲线,其数学形式与平面流相同。     

用保角转绘坐标解二维和轴对称可压流Euler方程

本文推导出用保角转绘正交曲线坐标表示的二维与轴对称Euler方程,方程中的未知量以曲线坐标方向的速度分量表示,并有不含未知量导数的源项。方程组的形式与直角坐标系中的接近,因而简化了计算。本文将该方程组用于计算二维任意翼型和旋成体轴对称绕流,采用分辨率较高的Eberle特征平均显式有限体积差分算法求解,在不同区域中用不同的显式推进步数加速收敛。本方法已分别对翼型和旋成体轴对称绕流编制了计算程序,可用于自由流为亚声速、跨声速和超声速的绕流计算。大量计算结果表明,本方法精度好,激波分辨率高,编程序简单。     

可压缩湍流分离附面层的计算

如何预计有分离的流动,一直是流体力学中一个重要问题。N-S方程固然可以描写分离流,但在目前计算技术条件下求解该方程要耗费大量机时。通常求解附面层方程的方法常因在分离点附近出现奇点而失败。近年来发展了解附面层方程的反方法,即给定附面层位移厚度δ~*或阻力系数c_f,求附面层外边界速度u_e和其他参数。位移厚度和阻力系数均为未知量,故用反方法计算时必须先估计位移厚度或阻力系数,将算得的u_e值和     

一维非定常管流自由开口端边界条件的确定

一维非定常管流自由开口端边界条件的确定,特别是当自由出流和入流都要考虑时,是一个十分复杂的问题。本文系统地研究了这种流动问题,指出了九种可能的波系组合,其中包括亚、超音速出流及音速入流等流动状态。同时亦指出了各种波系组合之间的边界,它们在压力——马赫数状态图上的相互位置以及计算方法,从而为一维非定常复杂管流理论计算边界条件的处理打下了理论基础。本文介绍的边界条件配上随机选取法所得的计算结果与实验十分吻合。     

基于降阶模型的不同厚度翼型颤振边界预测

为了解决CFD/CSD计算效率低的问题,基于CFD技术,构造降阶的非定常气动力模型,并耦合结构运动方程,建立频域/时域气动弹性系统ROM,采用线性自回归滑动平均模型的系统辨识方法,分析了气动弹性系统的标准模型Isogai二维翼型的颤振边界。结果表明,在翼型最大厚度所在位置保持不变时,计算不同翼型厚度下对应的颤振边界得出,随着翼型厚度增加,跨声速凹坑逐渐左移。因此,当翼型最大厚度所在位置保持不变时,为了达到提高颤振速度的目标,通过采用该方法的计算结果来调整机翼翼型厚度,提高机翼对飞行环境的适应能力。     

用N—S方程计算翼型非定常粘性大攻角绕流

本文给出了用ＮＳ方程对翼型非定常粘性大攻角绕流的数值模拟。控制方程为二维时均可压缩完全ＮＳ方程；湍流模型采用双层代数涡粘性模型。使用近似因式分解ＡＤＩ差分格式离散求解，网格是用保角变换方法生成的相对翼型固定的Ｃ型网格。本文给出两类典型非定常绕流数值模拟结果：翼型过失速常攻角周期流动和大攻角强迫俯仰谐振非定常绕流。并与国外的实验和计算结果进行了比较，表明了本方法准确、高效的特点。     

基于N-S方程的非定常地面效应研究

研究了二维翼型在移动地面和固定地面条件下的地面效应及流动特性问题.流场求解采用雷诺平均N-S方程,湍流模型采用k-ω和SST模型.对NACA0015对称翼型在离地速度为1 m/s情况下的非定常绕流进行了计算,选取移动地面条件下不同高度的定常解与非定常计算结果进行了比较.结果表明,考虑非定常效应时升力和阻力的变化明显小于定常解的结果,相对而言力矩的差别较小,固定地面条件下的升力系数和阻力系数略大于移动地面条件下的计算结果.     

基于动态边界控制的气动优化设计方法研究

本文根据控制变形物体边界变化的思想,建立了一种基于动态边界控制的气动优化设计方法,此方法通过在求解非定常流动方程过程中计算设计目标函数随设计变量变化的敏感性导数,这样在优化过程中不再需要求解定常流动方程,或共轭方程,从而使得优化过程得到简化并且便于在不同条件下应用.文中以二维翼型为例,用非定常欧拉方程为基本流动控制方程,针对两种优化设计问题,开展了翼型的优化设计,取得了良好的优化设计结果.     

非定常低雷诺数流数值模拟方法研究

低雷诺数翼型流动的一个重要特征是分离泡的产生,并且分离泡通常是非定常的。基于有限体积法,N-S方程和S-A模型的控制方程非耦合求解,时间均采用牛顿型LU-SGS方法推进,无粘项和粘性项用中心差分方法离散计算,在计算非定常流场时,采用伪时间子迭代方法,湍流模型计算时采用在固定点转捩,研究了二维翼型低雷诺数流粘性流动的数值模拟方法,并利用所开发的非定常可压缩粘性流计算方法,数值模拟了在低雷诺数下两种翼型的非定常流动。计算结果表明：气动力系数及分离泡呈规则的周期性变化,证明方法是成功的、可行的。     

不可压缩势流绕多段翼型流动的快速迭代解法

利用保角变换计算不可压缩势流绕翼型的流动,具有计算速度快和要求计算机内存小的优点,但主要用于单段翼型问题,而对于多段翼型,尤其是三段和三段以上的翼型则很难应用。本文在单段翼型的保角变换的基础上,提出了一种利用迭代算法计算任意多段翼型的不可压缩势流的绕流问题的方法。本文方法和目前常用的边界元法相比,具有计算速度快的优点。本方法还可进一步推广到考虑无粘流/边界层的迭代计算中。     

解跨音速升力翼型的有限元法

 在应用解全速位方程的最小压强积分有限元法求解绕升力翼型的跨音速流动时,将不可压流中求解绕升力翼型的耦合单位环量流动和无环量流动的解法推广到可压流中。为了确定环量,本文所用Kutta条件是:在后缘处,气流流向平行于后缘角二等分线。因有限元法对网格无正交性要求,因而可在椭圆变换前后进行剪切和延伸变换。这种网格生成法易于构成适用于复杂形状的有限元网格。通过计算并将其结果与文献中的数据比较,表明这种方法应用方便且有较快的计算速度和较高的计算精度。     

可变形翼型超声速非定常气动力的研究

由小扰动线化方程出发,利用基于格林公式的边界元方法求解二维超声速流动速度场,进而对变形翼型气动特性进行理论分析和数值计算。计算结果显示虚拟质量力导致的非定常附加升力对厚度变化远比弦长或弯度变化敏感;弦长或弯度变化诱导的非定常效应影响很小,此时非定常气动升力和准定常气动升力近似相等,和不可压缩或亚声速时相类似,变形翼型的非定常气动升力近似等于准定常计算结果叠加上非定常附加升力,与具体的变形历史过程无关。同时还分析了超声速时翼型往复变形时的气动特性,和亚声速情况完全不同,随着马赫数升高,完成往复变形所需要外界输入的功逐渐减小,趋近一个常值。另外翼型完成往复变形所需做的功将不依赖于来流攻角,且与翼型参数的变化加速度a存在简单的数学关系:A ∝a～(1/2)。     

垂直于物面的横截面上流态的拓扑

对于旋成体有迎角绕流,本文研究了垂直于物面的横截面上的流态结果。利用解析方法,给出了物面轮廓线上、迎风和背风对称线上以及全横截面上截面流线方程奇点的分布规律以及奇点沿流动方向的演变规律,从而可定性地确定截面流态的结构。通过求解ＮＳ方程数值模拟了钝锥有迎角高超声速绕流流场,计算获得的垂直于物面的横截面流线的拓扑结果和理论分析完全一致。