基于混合RANS/LES方法与FW-H方程的气动声学计算研究

在气动噪声的数值计算过程中,非定常流动的求解精度对声学计算结果有着重要的影响.以机体噪声计算的标准算例双圆柱绕流气动噪声问题为研究对象,采用基于非线性k-ε湍流模型的限制数值尺度(LNS)方法对双圆柱绕流进行了数值模拟,将计算得到的气动特性和流动特征与相应的试验结果进行了对比分析.为了求解远场观测点处的气动噪声,在精确求解双圆柱绕流流动的基础上结合基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的声类比方法进行数值计算,并通过圆柱体的展向相关性对计算结果进行了修正,将得到的最终结果与相应的声学试验结果进行了对比,两者吻合良好,表明该数值方法是准确、可靠的.     

绕钝体分离流动的非定常数值模拟研究

利用非定常RNGk-ε模型对三种典型的钝体绕流问题进行了研究,这三种流动分别为:方柱绕流、圆柱绕流和绕立方柱流动。研究表明了采用非定常雷诺平均方法可以研究钝体绕流的非定常流动,但所获得的结果各不相同。对于分离角固定的方柱绕流和绕立方柱流动,数值模拟结果和实验以及大涡模拟结果吻合较好,对于分离角不固定的圆柱绕流,随着雷诺数的增加,数值模拟结果和实验结果相差越大,分析认为这是由于壁面模型无法准确预测流动中不固定的分离角所致。改进了绕立方柱流动的模拟方法,采用非定常模拟方法后获得的结果要比定常模拟方法得到的结果有了根本改善。     

有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟

针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。     

基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法

传统声比拟思想假设声传播介质均匀,所获得的远场噪声积分方法无法考虑近场流动非均匀性引起的声折射效应,声场预测结果往往存在较大的数值误差。为解决上述问题,本文采用声扰动方程描述声波运动,并利用声学互易原理,在频域内构建关联近场声源与远场声压的伴随格林函数,从而将非均匀介质折射效应纳入伴随格林函数。基于伴随格林函数和声扰动方程源项的数值结果,利用积分方程计算气动噪声的空间传播。结合上述方法对二维圆柱和NACA0012翼型绕流噪声开展了数值预测研究,远场声压预测结果与CFD直接计算值吻合。数值研究表明,本文提出的基于声扰动方程的气动噪声传播积分计算方法可以考虑非均匀介质对声传播的影响,能够提高气动噪声的预测精度。     

圆柱体绕流分离区流动特性

一、引言 绕圆柱体流动从开始就是流体力学的研究对象,但直到今天仍有许多遗留问题有待研究解决。例如尾流中涡街形成的机理,尾迹中涡量减少的机理等。 本文介绍了用一种新的测量方法（即热线和热膜的整流效应）,对圆柱体绕流分离区表面以及“死水区”的时间平均流动特性进行实验研究的结果。同时,用了底层隔板对圆柱体表面流动方向进行了检测。     

N-S方程数值计算:绕圆球的粘流运动

绕圆球的粘流运动问题,到目前为止,对有限雷诺数情况,国内外发表的文献较少。本文主要使用Galerkin法进行数值计算,在计算机上算出了绕流的流函数、压力分布和剪应力分布;并绘出了流动图形、超过临界雷诺数时所形成的二次流旋涡,以及分离点和分离区的有关特性曲线。     

远场假设对喷流噪声预测中格林函数求解的影响

目前基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）的喷流噪声预测方法在格林函数求解时, 为简化求解过程,通常对喷流流动做平行流假设, 对观测点做远场假设。随着格林函数求解方法发展,近年来的研究表明平行流假设对下游观测点格林函数的计算会引起较大偏差,而目前远场假设对格林函数求解的影响仍不清楚。为研究远场假设对喷流格林函数求解的影响,以二维喷流为例, 采用计算气动声学方法（CAA）分别数值求解了观测点远场假设条件与实际条件下90°~150°方向喷流内伴随格林函数,进而分析远场假设对格林函数求解的影响。研究结果表明,对于不同方向的观测点,由观测远场假设导致的伴随格林函数求解偏差不尽相同,且对于越靠近喷流中心线方向的观测点,远场假设导致的偏差越大,其中150°方向观测点,采用远场假设后,格林函数计算结果最大偏差达到-15 dB以上。因此,对于靠近喷流中心线方向的噪声观测点而言,为避免预测偏差,应采用实际观测条件求解喷流格林函数。     

稀薄流到连续流的气体运动论统一算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数的各流域均适用的气体分子速度分布函数简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而在速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。发展可用于速度空间宏观取矩的离散速度数值积分方法，获取物理空间各点的流动参数，由此发展一套能有效模拟各流域三维绕流问题的气体运动论统一算法。研究气体运动论数值算法所适合的并行方案，基于统一算法的HPF并行实现，建立一套能有效模拟不同流域复杂外形体绕流的HPF并行算法软件。通过对不同Knudsen数的一维、二维、三维气体绕流问题进行数值计算表明，计算结果与有关实验数据及其它途径得到的研究结果吻合较好，证实了本文发展的统一算法在求解稀薄流到连续流不同流域复杂绕流问题方面的可行性。     

微型飞行器相关技术研究进展

微型飞行器是航空领域一个新的研究热点，涉及多个技术研究领域。围绕与微型飞行器相关的低雷诺数空气动力学问题，进行了绕圆柱体低雷诺数非定常流动的数值模拟方法研究、低雷诺数机翼粘性非定常流动机理研究、扑翼的气动力估算方法研究、微流动控制的数值模拟研究和微型飞机的气动实验研究，指出了微型飞行器面临的问题，并展望了其发展趋势。     

圆柱体亚、超临界流态壁面剪切应力分布随雷诺数变化的实验研究

本文介绍了应用表面热膜实验技术,对圆柱体亚、超临界流态壁面剪切应力分布随雷诺数的变化所进行的实验研究的概况和实验结果。实验结果显示了绕圆柱体横向低速流动的附面层状况和壁面剪切应力随雷诺数变化的过程和规律。     

考虑地面影响的半空间气动噪声数值计算方法

含非紧致边界的半空间气动噪声问题普遍存在于航空领域,在数值计算过程中不仅要考虑非紧致边界的散射效应,还需要考虑地面对声波的反射。基于Lighthill声模拟理论和广义格林函数方法,引入边界声压积分项和可压缩修正项可以考虑非紧致边界以及流体可压缩性对声波散射的影响。然而在半空间声场的计算过程中,包含沿无限大地面的积分项,为了克服沿地面积分所带来的巨大工作量,根据无穷大平板对声波的反射特性,推导得出频域下基于半空间格林函数的声学积分方程。同时开展了半空间中应力源噪声与圆柱绕流噪声的数值预测与分析,验证了该方法的准确性与高效性。     

三维Stokes流动的半解析半数值解

本文采用轴对称Sampson流子体内分布法数值地求解了三维Stokes流动问题。对方法中出现的复杂积分首次得到了系统而又简捷的递推形式的分析结果,从而保证了方法具有精度高、计算量小的优点。对均匀来流侧向绕长球及卡西尼卵形旋转体的三维Stokes流动进行了具体计算,得到了收敛性及精度都很好的阻力系数值和物面上的压力分布。作为三维物体Stokes流动的一个实例,文内还计算了均匀来流绕三维椭球的Stokes流动,并首次得到了相应的阻力系数和压力分布。     

跨流域三维复杂绕流问题的气体运动论并行计算

通过研究求解描述跨流域三维绕流问题的Boltzmann模型方程气体运动论耦合迭代数值格式,分析气体运动论数值计算方法的内在并行性;从变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性三方面开展基于离散速度空间区域分解计算的研究,发展求解稀薄流到连续流跨流域三维复杂绕流问题的并行算法。通过对不同Knudsen数、不同马赫数、不同攻角三维球体及返回舱绕流的并行计算,计算结果与实验数据和理论分析吻合较好。研究表明,该并行算法负载平衡和并行可扩展性较好,对不同并行计算机系统具有很好适应性,显示直接求解分子速度分布函数的气体运动论计算方法有良好的并行计算特性。     

带副翼三维机翼绕流的N-S方程解

提出了一种求解带副翼偏转三维机翼绕流的N-S方程计算方法。采用对接分区网格与分区求解算法的结合,有效地求解绕此外形的复杂流动。提出了一种满足通量守恒的内边界耦合条件。数值方法中选用vanLeer分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项。数值算例表明该方法是求解带操纵面偏转的机翼绕流的有效方法。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

二维舵面绕流的N-S方程数值计算研究

本文基于结构化网格,应用Baldwin-Lomax湍流模型进行绕舵面流动的二维N-S方程数值模拟,将部分计算结果与风洞试验结果进行了对比分析研究,分析了计算方法的可靠性和计算结果的合理性.为开展三维舵面绕流的N-S方程数值模拟和铰链力矩数值计算研究奠定了基础.     

内外环对高速球轴承中球体拖曳阻力系数的影响

在液体润滑的高速球轴承中,球体公转运动会受到润滑流体的拖曳阻力,对球轴承的动力及产热等性能造成显著影响。针对球轴承中球形滚动体公转的流体拖曳阻力问题,建立平板夹层单球体绕流模型,通过数值模拟和实验研究的方法,研究内外环对球体绕流的流动特征及压力分布的影响,分析单球体绕流的拖曳阻力系数变化规律,并与开放空间球绕流模型进行对比。研究表明,建立的数值计算方法和实验结果吻合良好,误差不超过10%。在相同雷诺数下,由于内外壁面的限流作用,球体与壁面接触区域压差阻力明显增大,导致夹层空间球绕流中球体拖曳阻力系数明显高于开放空间球绕流,在103Re105内约为开放空间球体阻力系数的两倍。     

一种边界非协调数值方法

研究了一种边界非协调的数值方法。该方法的提出是为了能够方便的求解复杂的运动边界绕流问题。空间上采用Galerkin有限体积空间离散格式。数值离散中,网格点分为内部计算点、IB点和外点三种类型。其中临近物面的IB点在嵌入物面边界条件时起到了作用,其流动变量值则是通过流场内解的线性插值获得。时间推进上采用结合人工压缩项的双时间步推进格式。静止和振荡圆柱不可压绕流的数值实验初步验证了本文方法的可靠性和准确性。     

谱单元法及其在多圆柱绕流分析中的应用

系统阐明谱单元方法,基于谱单元方法对低雷诺数Re=200时不同间距下的顺排两圆柱和Re=150正方形排列的四圆柱绕流及其阻力系数、升力系数等进行数值模拟。研究比较不同间距比L/D(两圆柱圆心距离与圆柱直径之比)对两圆柱和四圆柱绕流的影响,计算分析了涡量图分布、平均阻力系数和斯托罗哈数随间距比的变化。研究表明,间距比对顺排两圆柱和正方形四圆柱绕流影响显著;顺排两圆柱绕流存在临界间距比,在Re=200时临界间距比约为3.6。正方形排列四圆柱存在三种流态。当流场从一种流动形态变成另外一种流动形态时,力学参数发生显著变化,在某些间距比区间内出现骤升或骤降现象。