NAPA软件的并行化研究和效率分析

基于区域分裂思想,以M P I(M essage pass ing in terface)为消息传递库,实现了三维全粘性湍流计算软件NAPA的并行化。对NACA 0012翼型、微型飞行器、高超声速进气道等流场进行了计算和分析,比较了并行和串行软件的计算结果,结果完全一致,并对比了NACA 0012翼型流场的计算结果和实验值,表明NAPA软件的改进是成功的。随后对各个算例的并行效率和加速比进行了对比分析,分析了通信比例、负载平衡度以及通信模式等影响并行效率的几个重要因素。最后使用In te l cluster too ls和V tune工具对NAPA程序进行了算法和代码效率优化,发现了原代码中耗时长的几个子程序并进行了改进,通过对高超声速进气道算例的测试,计算效率提高了55.33%。     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征：分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。     

二阶矩湍流模型在喷管两相流中的应用

本文应用一种考虑气体一颗粒湍流相互作用的二阶矩模型对喷管跨音速两相流动进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和载荷比对流动的影响。计算结果和实验数据及前人研究结果相吻合．表明二阶矩模型能够对跨音速两相湍流做出很好地预测。     

热完全气体的热力学特性及其N-S方程的求解

首先用五次多项式拟合给出了温度在50～3000K范围内的热完全空气的焓值与温度之间的函数关系式，导出了其它热力参数e，cp，cv和γ的表达式。接着提出了热完全空气总温、总压的计算方法，并将其计算结果与量热完全空气的结果进行了比较。最后，将该热完全空气模型用于N-S方程求解，对NAPA软件进行了改进，并用该软件时高马赫数钝体绕流流场和乘波体流场进行了计算，分析了气体真实效应时流场结构及参数的影响。结果表明，本文提出的总温、总压计算方法及时NAPA软件的改进是成功的，可较准确地模拟高超声速流动的主要特征。     

矩形喷管内外喷流流场的数值模拟

基于 Ｆｒａｖｅ 平均的 Ｎ Ｓ方程和 Ｂ／ Ｌ 湍流模型,采用了 Ｊａｍ ｅｓｏｎ 格式和 Ｍ Ｕ Ｓ Ｃ Ｌ 格式,对外流在亚声、超声和零 Ｍ ａｃｈ 数三种状态时矩形喷管的喷流流场进行了数值模拟,探讨了内外喷流及喷管内的流动特征,并与实验数据进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好,验证了计算所使用的 Ｎ Ａ Ｐ Ａ 软件的可靠性,从而为用计算流体力学的方法模拟具有两股来流的三维湍流流场提供了一种有效的手段。     

稳定分层湍流的PIV实验研究

在自行建立分层湍流实验装置的基础上,进行了一系列分层湍流的实验研究,运用激光诱导荧光(LIF)流动显示技术和PIV流场测量技术,定性研究了剪切和分层对湍流混合和湍流结构的影响.实验结果发现:剪切促进湍流混合,稳定分层抑制湍流混合,而且分层使得混合层内的湍流结构变得扁平和细长,同时还发现了混合层内涡旋的拉伸、合并、扭曲和变形等复杂的流动现象,特别是发现了其中的旋转涡对和反旋转涡对以及对湍流输运起重要作用的手指状结构.     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

低速高湍流度90°弯管流动数值模拟

分析了曲率对弯曲管道流动的影响 ,给出了曲率修正的双层 k-ε湍流模型 ,并数值模拟了非均匀来流低速高湍流度 90°弯管内流动。文中比较了曲率修正双层 k- ε湍流模型的计算结果与实验结果 ,以及双层 k- ε湍流模型和逆压力梯度修正双层 k- ε湍流模型的计算结果。通过比较 ,发现经过曲率修正后的双层 k- ε湍流模型更好地模拟了非均匀来流低速高湍流度 90°弯管内流动。同时比较了壁面参数的插值方法 ,发现在弯曲管道流动模拟中对壁面参数进行一阶插值比零阶插值能更好地模拟真实流场     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

肥皂膜水洞实验技术

介绍了一种新型的实验装置——肥皂膜水洞,该装置为研究二维流体力学问题提供了便利条件,干涉法可用来对流场进行流动显示实验。笔者运用这套系统对双圆柱绕流和栅格湍流进行了初步探讨。     

建筑物风环境三维定常数值仿真

针对建筑物的风环境问题，采用计算流体动力学CFD软件对两幢建筑物进行了数值模拟，得出了建筑物的风场分布，以及风载的分布规律，结果表明，气流在来流方向第一幢建筑物的顶部、两侧的前沿产生分离，建筑物之间产生强烈的漩涡，顶部的局部负压最大。     

旋转坐标系下三维MUSCL格式的构成

MUSCL格式是近年来新发展的许多高分辨率格式之一，但直接将该格式应用到旋转坐标系时，会使计算发散或得到非物理解，不能计算旋转机械的内部流场。本文在原有MUSCL格式的基础上，根据旋转坐标系下雷诺平均N－S方程，重新构成了MUSCL格式，并且与原有MUSCL格式进行了比较，分析了两者相同与不同之处，利用该格式对两个典型算例（旋转直管和跨音速压气机）进行了计算，通过与试验结果对比表明，重新构成的MUSCL格式能够计算包括跨音速气机在内的复杂旋转机械流场，从而扩展了MUSCL格式的应用范围。     

基于旋转坐标系的高阶间断有限元方法非定常湍流数值模拟

基于高阶间断有限元方法(Discontinuous Galerkin method,DGM),对旋转非惯性系下耦合了修正的一方程S-A模型的RANS方程进行了离散求解。为了在稀疏网格上获得更贴近真实的物面形状,使用了多层高阶弯曲网格方法对物面进行拟合。非定常时间推进采用了隐式双时间步方法,每个时间步产生的线性系统采用预处理的方法,即广义最小残差方法(Generalized minimal residual method,GMRES)来求解。计算了旋转圆柱绕流以及经典翼型振荡算例的升力和力矩迟滞曲线,与实验结果以及前人的计算结果对比验证了本文方法的正确性和有效性。     

一种强螺旋流现象的实验研究

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。笔者利用激光测速仪针对其中一种装置产生的螺旋流进行了时均速度分布测量。实验结果表明,本例情况下时均流动先是形成不对称双涡结构然后过渡到单一涡结构而形成螺旋流的     

旋转冲压发动机冲压转子盘腔冷态流场数值模拟

旋转冲压发动机是一种没有叶片和活塞的基于冲压压缩技术的新概念发动机,冲压转子是其惟一的核心转动构件。通过应用商用CFD(NUM ECA)软件,基于三维定常N-S方程和B-L湍流模型,对旋转冲压发动机冲压转子盘腔冷态流场进行了数值模拟,着重分析了其旋转冲压压缩效果和流场结构。分析结果表明,冲压转子能有效实现超声冲压压缩,进气道激波结构类似于超声进气道,但略有差异;盘腔内流场结构是带有周边小旋涡回流和低压中心区的大旋涡结构,这种流场结构有利于燃油供应和燃烧组织。     

模拟涡轮旋转叶片冷却通道换热的初步实验研究

本文主要阐述了一台研究旋转涡轮叶片或其他类似旋转部件冷却系统换热的实验设备,并介绍相应的实验手段和初步实验结果。 本实验可模拟气流平行于旋转轴方向的流动和气流垂直于旋转轴方向向外流及向内流等三种情况,基本上概括了冷却系统的全貌。故能满足旋转部件冷却系统换热的实验要求,试验结果是令人满意的,为旋转情况下的换热研究开辟了新路。     

高速摄影技术在三维位移测量中的应用

提出了用高速摄影技术准确测量三维位移的新方法。该方法利用一只测量基准，使两台高速摄影机的拍摄方向相互垂直或成一定角度，并使所有的测点都在拍摄范围内。从摄影胶片上点的运动求出测点的三维坐标。实验结果表明：该方法的测量精度较高，适用于测量大梦位移的时间历程。     

旋转对管内流体流动的影响

本文描述了旋转管流的基本运动方程。在笛卡尔坐标系和柱坐标系中,针对两种基本的几何流动,推导出旋转情况下管内的流动方程,定义了影响旋转管流的流动和换热的两个无量纲准则数J和Ra,分析了二次流产生的原因,从而说明旋转对流动的影响以及旋转管流的运动特征。