计算流体力学在飞行器研制中的应用

本文以高速飞行器气动计算为例,介绍了计算流体力学在飞行器设计中建模及应用.计算流体力学在飞行器设计中的应用是伴随着计算机技术及空气动力学的发展而发展的.从较早的从宏观角度出发求解Euler方程,N-S方程,到考虑真实气体影响带化学反应和电离的N-S方程的求解,以及从微观角度出发用蒙特卡洛法对气体分子运动直接模拟求解,即代表计算动力学理论的发展,也是现今计算机技术发展的结果.本文讨论的是计算流体力学应用问题,包括数学模型的选择,计算方法的选用,及其在飞行器设计中特殊问题上的应用.     

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

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.      

地效飞行器三维地面效应的数值模拟

采用三维非结构贴体直角网格和N-S方程研究了三维地面效应的数值计算方法。用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法,修正了下垫面的数值边界条件,模拟了下垫面在低马赫数情况下对飞行器的地面效应作用。结果表明计算方法可以反映地面效应的基本原理和特性,模拟结果显示飞行器的地面效应不仅有正效应,而且可能有负效应。     

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.     

一种适合迭代求解的反馈力浸入边界法

对Goldstein提出的反馈力浸入边界法进行了新的思考，改进了其对力源项的计算，拓展了该浸入边界法的使用范围。传统的反馈力浸入边界法在进行力源项的计算时，含有对速度误差的时间积分项，只能用于含时间项的Navier-Stokes （N-S）方程的求解，且在显式时间推进时有严格的时间步长限制。本文改进的方法则直接通过迭代过程中的速度误差求和来计算力源项，避免了时间相关的参数，使其不仅能适合非定常隐式时间推进，还能与不含时间项的定常N-S方程求解方法结合。为了验证改进方法的可靠性，对二维静止圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱、运动椭圆翼以及三维静止圆球的流场进行了计算，计算结果均与文献结果符合较好，表明本文改进的方法是有效的。得出的结论为：可以直接基于迭代次数进行反馈力源项的计算，改进的反馈力浸入边界法不仅可与非定常N-S方程结合，进行隐式求解，还可以与定常N-S方程结合用于定常流动的模拟，可将改进的方法运用到更多的流动问题当中。     

轴对称不可压层流粘性管流的数值计算

本文将N-S方程转换为流函数方程、涡度方程和压力方程并用于管流计算中。方法的基本特点是,通过衰减函数把局部解析解川于差分方程,从而保证了解的稳定性和精确度,提供了在中等机器上求解N-S方程的可能性。     

Euler及N-S方程的二维四边形网格自适应算法

描述了一种基于贴体网格的Euler和N-S方程自适应算法。采用中心有限体积法,对Euler及N-S方程进行数值求解,N-S方程的计算中加入了基于SA湍流模型的DES模型。在流场中,运用了网格自适应算法,提高了数值计算对激波、流动分离、涡等特性的捕捉和分辨能力。采用上述方法,数值分析了单段翼型的绕流问题。文末给出的2个二维问题的对比算例表明本文方法有效。     

三维非结构贴体直角网格的N-S方程数值模拟

基于八叉树数据结构,采用直接分层光顺的方法,解决了非结构直角网格在物面不正交贴体的难点,发展了任意复杂外形的三维非结构贴体直角网格,并且可以根据流场特征进行自适应处理。在此基础上采用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的非结构网格的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法。计算表明,三维非结构贴体直角网格的粘性求解,可以适应各种高超声速的复杂外形,计算结果与试验吻合较好。     

附面层分离流的逆算法

所谓附面层的逆算法是指给定位移厚度δ~*或壁面剪切应力τ_w,而把外流速度分布u_e或压强分布p做为未知函数通过附面层方程的求解反算出来。这样就使得附面层差分计算顺利地通过分离点而不出现任何奇性,从而开辟了一条求解分离流动的非常有意义的途径。与直接求解N-S方程相比,它的计算量与贮存量要小得多。对实际应用来说,它是求解附面层分离气泡的好的近似方法。     

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。     

Reynolds方程封闭性

<正> Reynolds推出了Reynolds方程以来,人们花费大量精力研究方程的封闭性。Taylor首先引入相关概念并提出各态历经假说。Prandtl提出著名的混合长度理论:Karman给出混合长度的另外形式。周培源(Chou P Y)对各向同性湍流做了大量研究工作,获得了满意的结果。最近高歌用侧偏系综平均取代Reynolds平均,得到     

跨声速机翼抖振初始迎角N-S方程定常计算分析

 应用代数法和椭圆型方程优化相结合的方法生成翼身组合体块结构网格。采用有限体积空间离散法和五步Runge-Kutta显式时间推进法求解N-S方程。基于雷诺平均N-S（RANS）方程,选用Spalart-Allmaras（SA）一方程模型模拟紊流。根据N-S方程定常计算结果,采用升力曲线、俯仰力矩曲线、后缘压力发散、跨声速激波位置以及机翼表面极限流线等几种判据,对跨声速机翼的抖振初始迎角进行了合理的预测分析。     

论有限元素理论中SUPG方法与PG方法在解高速粘流时的等效性

对流场中含激波问题,若用有限元法来数值模拟,目前较有效的方法是SUPG方法和PG方法。本文讨论了这两种方法在数值求解N-S方程组时具有等效性,并对它们的应用前景作了简单的评估。     

低密度小喷管流场的DSMC直接模拟

用ＤＳＭＣ方法数值模拟了低密度轴对小喷管的流场流动，获得了相应的结果，并将所得结果与用差分求解Ｎ－Ｓ方程方法获得的结果进行了对比，二者吻合较好。     

亚燃/超燃双重燃烧冷态掺混的数值模拟

通过求解完全的二维Ｎ－Ｓ方程组，对亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机超音燃烧室的冷态掺混合性层流流动进行数值计算，采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ两步显式格式分析一般音速来在股超音速气流间掺混的流动特征，并用代数法生成计算网络。给出的三组算例与文献（１）的实验结果进行对比，结果令人满意。     

驱动方腔内涡流的数值模拟

本文介绍一种求解涡度流函数形式的定常不可压缩Navier-Stokes方程的半隐式指数型差分格式。涡度方程用上述格式求解,而流函数方程用多层网格法求解。这种组合求解方式具有很好的稳定性及较快的收敛速度。本文对Re=100,400,1000,3000,5000的驱动方腔及Re=400,1000的驱动长方腔进行了数值模拟,结果与现有的计算相吻合。     

物面突变引起的二维分离流动的数值模拟

本文用一个单步二阶精度格式,对由物体截面突变引起的二维超声速分离流动进行了数值模拟。计算了近尾迹流场,并详细研究了来流M数和Re数对绕后台阶分离流场结构的影响,得到了与理论和前人计算一致的结果。另外,对超声速绕竖舨流动进行了数值计算,给出了细致的流场结构图画。     

固体火箭发动机喷管气固两相流动的数值模拟

对颗粒相采用颗粒轨道模型,气相求解可压缩N-S方程组,计算方法采用显式Runge-Kutta时间推进法与有总变差衰减(TVD)性质的高精度MUSCL-Roe格式;自主开发了曲线坐标系下二维轴对称可压缩N-S方程组的解算器Solve2D,研究了固体火箭发动机喷管中颗粒相对流场的影响以及不同尺寸颗粒运动规律.结果表明:颗粒相对流场的影响主要表现在喷管喉部以及扩张段,和单相流场相比,沿轴线马赫数减小,且颗粒尺寸越小减少得越多;沿轴线气相温度升高,且颗粒尺寸越小温度升高越多;颗粒尺寸越小,无粒子区越小;颗粒越大与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大.      

瞬时起动圆柱的初期流动

 本文将ADI方法和Poisson方程直接法结合起来求解涡量-流函数形式的N-S方程,研究瞬时起动圆柱的初期流动(Re=3000,5000,9500)。成功地算出实验观察到的α流动结构、β流动结构,以及这些结构在流动发展过程中交替出现的情况。本文方法效率高,计算结果与实验结果及他人的数值计算结果相符较好。可期望用该方法计算其它复杂流动。