随机和认知不确定性框架下的CFD模型确认度量综述

随着计算机技术迅猛发展,计算流体力学(CFD)数值模拟技术已广泛应用于航空航天、船舶、风力、水利等领域,为装备的复杂流体分析、性能参数评估以及产品气动设计与优化提供重要验证与决策手段。现有的CFD技术都是在确定性的数学模型、物理参数、边界条件下进行数值模拟的。然而,由于物理过程的复杂性及人们的认知偏差,CFD技术中存在着模型参数、数值离散、模型形式等诸多不确定性因素且表征形式各异,给CFD数值模拟的可信度评估带来了极大挑战。文章阐述了CFD技术中面临的不确定性因素,探讨了主流模型确认度量方法的应用条件和适用范围。着重介绍在认知不确定性下的模型确认度量方法,包括几类重要的区间、概率盒下模型确认度量方法。通过NACA0012翼型绕流问题说明了CFD技术中考虑各种不确定性下的模型确认度量方法的有效性。     

基于CFD的高效气动弹性计算方法

本文在高效气动弹性分析方法方面的研究工作包括:对于超声速流动范围,发展了一种基于CFD数值计算流场修正的高效、高精度工程算法,既含有CFD技术模拟复杂激波系的流场特征信息,又具备工程算法计算速度快的优点;对于失速迎角前的飞行器从亚声速、跨声速到超声速范围,发展了一种基于CFD技术的非定常气动力建模方法,由此获得气动弹性计算所需的非定常气动力,此方法可以包含物面在跨声速存在激波运动的流场信息,计算精度与直接应用CFD模拟气动弹性过程的方法相当,但运用非定常气动力建模技术途径的效率可以比直接基于CFD模拟方法提高2个数量级,对CFD技术应用于气动弹性精确预测方法具有工程实际应用价值;还研究了基于非定常气动力建模的方法用于伺服气动弹性分析、阵风响应.     

带自由表面水流的分离涡模拟

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构.深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型.天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用.RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展.然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少.本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

预测悬停旋翼跨音速流动的一种组合自由层流／CFD方法

一种新的组合自由尾流/CFD方法用于悬停旋翼流动的CFD解中以考虑实际尾流的作用。用中描述的尾流分析方法研究了螺旋尖涡的运动。首先从广尾流模型开始，用半经验公式模式化涡核对旋翼尾流的作用；然后在环量收敛和尾迹收敛的条件下完成了自由尾迹计算；最后就用Jameson有限体积龙格-库塔推进格式求解了欧拉方程。所得结果与相关献和实验数据进行了比较。     

CFD在我国城市风热环境中的研究与应用

城市风热环境研究对于城市可持续发展、居民健康和气候变化适应性都具有重要意义。随着高性能计算能力的不断提升和数值模拟方法的改进,计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）已经广泛应用于城市风热环境预测。本文概括性地总结了城市风热环境实验研究和CFD研究的进展,包括典型的实验研究方法、CFD数值模型、模型验证等,并重点从建筑形态布局、植被、水体以及冷性材料4个方面对CFD应用研究成果进行归纳总结,最后从多季节、多尺度、精细化模拟以及多因素耦合等角度对未来城市风热环境CFD模拟研究进行了展望,并提出了参考建议。     

预测悬停旋翼跨音速流动的一种组合自由尾流/CFD方法

一种新的组合自由尾流 / CFD方法用于悬停旋翼流动的 CFD解中以考虑实际尾流的作用 .用文中描述的尾流分析方法研究了螺旋尖涡的运动 .首先从广义尾流模型开始 ,用半经验公式模化了涡核对旋翼尾流的作用 ;然后在环量收敛和尾迹收敛的条件下完成了自由尾迹计算 ;最后应用 Jameson有限体积龙格 -库塔推进格式求解了欧拉方程 .所得结果与相关文献和实验数据进行了比较     

风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

基于车尾风能回收的气动减阻装置

在车尾同时安装隔板和风力发电机(以下简称“复合装置”),利用湍流RANS模型和风力发电机致动线模型对雷诺数Re=1.43×10⁶工况下全车流场进行了数值计算。首先比较了无车尾隔板、有车尾隔板和复合装置3种情况下车尾流场和车体受力的变化。发现复合装置控制中,隔板提高了车尾背风面压力,减小了车尾斜面上的摩擦力,同时风力发电机在回流区中运转产生推力,这3部分组成复合装置的减阻总效果。其次,讨论了改变隔板长度对复合装置减阻效果的影响,发现隔板和风力发电机的减阻效果均随着隔板长度的增大而先增大后减小,其最大减阻率可达19.5%。     

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性

空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一,决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求,结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势,对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨,本篇为其中第二部分：入流和尾流特性。一方面,选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面,从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手,梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展,分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外,结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后,对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。     

基于致动线方法的风力机气动数值模拟

致动线方法是通过引入体积力代替叶片的致动线技术与三维Navier-Stokes方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法。该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究。以NH1500叶片为计算模型,从叶片载荷分布和功率系数两个方面,将引入高斯分布的致动线方法的数值模拟结果与BEM理论、CFD方法以及风洞实验进行了系统的比较,验证致动线方法用于风力机气动数值模拟的可行性,并且对致动线方法计算出的尾流流场进行简要的分析。     

基于自主软件LSWS的典型地形大气CFD模式研究与应用

基于我国典型地形风资源评估、风电场微观选址及风电预测等的发展要求，根据风场实测数据，提出了两种风廓线模型：一种是利用实测数据修正的Gryning风廓线模型，另一种是结合分段函数及理论公式拟合的风廓线模型。考虑大气热效应、地转效应等大气效应，结合改进的雷诺时均k-ε两方程湍流模型，建立了能够模拟不同大气稳定度的典型地形大气CFD模式，开发了自主可控的风场CFD模拟软件LSWS(large scale wind simulation)。以锡林浩特平坦草原地形和山西丘陵地形的风场为例，比较了自主软件LSWS和商业软件Fluent的模拟精度。模拟结果显示：对于锡林浩特平坦草原地形风场，两个软件模拟结果与实测数据总体吻合良好；在稳定大气状态下，LSWS的计算精度较Fluent最大提升6.33%；在模拟山西丘陵地形时，LSWS的计算精度明显高于Fluent，特别是绕山脊的山后流场模拟更加合理，LSWS计算精度较Fluent最多提升40%以上。     

微型扑翼飞行器非定常运动对平尾的影响

以西北工业大学自行研制的微型扑翼飞行器ASN211为研究对象,利用其简化的二维扑翼及平尾串列翼模型进行了非定常数值模拟,分析了扑翼俯仰运动及沉浮运动对平尾气动性能的影响。在数值模拟模块中,模型的俯仰运动及沉浮运动由动网格技术实现。通过计算流体力学(CFD)软件Fluent对此非定常流场进行数值计算,重点研究了扑翼非定常运动尾流对平尾气动效率的影响。定常状态与非定常时均条件下平尾升力曲线的对比分析表明,扑翼的非定常运动能够增大平尾的失速迎角及最大升力系数,因而使平尾的失速特性得到改善。     

基于数值模拟的复杂地形风场风资源评估方法

与采用线性模型的WAsP软件相比,CFD方法具有可以逼真模拟复杂地形三维风场大气流动的优势,因此成为了复杂地形风场风资源评估的发展方向。为了把CFD软件包FINE/TURBO和带有壁面函数的k-ε湍流模型用于复杂地形地貌风电场的风资源评估和微观选址中去,本文以南澳岛风场作为研究对象,在中性大气条件假设下,对风场区域以30°风向为间隔进行数值模拟。研究采用不同入口边界条件对数值计算结果的影响。比对模拟结果发现,风场中的风加速与湍流强度基本上不随来流条件发生变化。基于这一规律,结合全年测风数据评估风场的风资源分布状况,建立了一套风资源评估的数值模拟及后处理方法,为工程实际提供了有力参考。     

尺度自适应方法在跨声速涡轮中的应用研究

高压涡轮流场中存在多尺度的涡系和波系结构,对涡轮部件的气动、传热以及结构强度都有重要的影响。为快速准确把握其流动机理,对Menter发展的尺度自适应CFD方法进行了改进,并将新方法分别应用于圆柱绕流以及VKI LS89跨声速涡轮叶栅等典型流动算例。结果表明改进后的尺度自适应模型具有出色的空间分辨率,模拟结果能与大涡模拟、实验数据基本吻合且计算成本约为文献中大涡模拟的2.5%。     

选区熔化过程多尺度多物理场建模研究进展

选区熔化技术是一种基于粉末床的、能够精确成形复杂零件、调控微观组织和性能的金属增材制造技术,其成形过程的计算机模拟对于生产实践具有重要指导意义。综述了国内外的研究现状,首先介绍选区熔化技术的原理及其特点;然后介绍国内外对选区熔化过程已经开展的计算机模拟技术的研究进展;并进一步重点介绍针对电子束选区熔化过程的多尺度多物理场模型,主要包括:(1)微观尺度电子束与材料相互作用的能量吸收模型;(2)细观尺度从铺粉到粉末加热、熔化、流动、沉积成形全过程的模型;(3)宏观尺度零件成形过程模型。     

考虑粗糙地表的近地层风场仿真模拟研究及误差分析

基于Fluent流体计算平台,使用自编UDF程序实现根据地表粗糙度长度添加覆盖植被阻力源项来模拟精细化地表粗糙度,以Askervein山为例建立数值模型,选择了不同的湍流模型进行风场模拟,研究了湍流模型对复杂地形风场CFD模拟的影响,并与实测数据对比分析了湍流模型的适用性,进一步探讨了均一地表粗糙度的模拟效果。研究表明:相比于其他几种湍流模型,LES模拟结果与实测值吻合最好,更适用于复杂地形的风场模拟。地表粗糙度长度对风场的影响在迎风面和背风面处有较大的差异性,合理设置单一地表粗糙度能有效减小模拟误差。     

CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.     

低压室初始长度对火箭弹自力弹射出筒尾流场的影响

低压室初始长度的改变直接影响火箭弹自力弹射过程中低压室压强的建立，进而对弹射出筒过程中的尾流场产生影响。本文基于二维轴对称N-S方程建立了火箭弹自力弹射出筒尾流场的数值计算模型，采用动网格技术对弹射出筒的全过程进行了非定常数值计算。采用文中计算模型对超声速冲击射流试验进行了模拟，得到的流场结构与试验纹影图匹配良好；开展了自力弹射的实弹发射试验，仿真数据与试验数据的一致性较好，在此基础上分析了低压室初始长度对尾流场不同阶段的影响。结果表明，随低压室初始长度的增加，发射筒底部的第一个压强峰值增大；尾流场初始阶段震荡幅度增加且震荡时间延长；尾流场发展阶段内弹体的位移增量及速度增量减小，低压室压强峰值及峰值过后的压强下降速度减小；尾流场稳定阶段内弹体的位移增量及速度增量增加。     

基于超大涡模拟的燃烧室气动性能仿真研究进展

航空发动机燃烧室涉及旋流、雾化蒸发、掺混、化学反应、湍流与火焰相互作用等多尺度强耦合物理化学过程,相关的高 精度建模和数值模拟面临极大的挑战。超大涡模拟是近些年发展的兼顾计算精度、计算效率和强鲁棒性的数值模拟新方法,具备 试验室尺度和复杂工程应用场景下湍流流动与燃烧仿真能力。针对航空发动机燃烧室相关流动与燃烧基本特征,阐述了超大涡 模拟的理论方法及特点,从旋流流动、湍流燃烧、液雾雾化、碳烟生成、燃烧不稳定等典型多物理过程,以及双旋流模型燃烧室和高 温升燃烧室气动性能集成仿真等方面介绍了超大涡模拟的研究进展,对涉及的物理机制进行了分析,为超大涡模拟在航空发动机 燃烧室中规模化工程应用提供了坚实支撑。超大涡模拟在较低的计算资源消耗下具备与传统大涡模拟相当的计算精度,是一种 经济可承受的燃烧室高精度气动性能仿真新方法。     

典型舰艇空气尾流特性分析

舰艇空气尾流环境是影响舰载航空装备飞行安全的重要因素。借助CFD技术研究了舰艇空气尾流场内气流的运动规律、甲板上方涡流结构。应用激光片光显示系统对舰艇缩比模型的流态进行了风洞实验,并用流场实测数据对理论计算结果进行了校验。研究结果有助于指导舰艇外形优化设计和舰载航空装备的安全性分析。