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。     

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

开缝圆柱近场尾流的大涡模拟和实验测量

基于Fluent软件平台采用大涡模拟(LES)的方法对开缝圆柱绕流进行了三维数值仿真,计算了五组不同雷诺数(Re=1500、3000、4400、5837、7200)情况下缝宽比s/d=0.15的开缝圆柱绕流流场。通过定性的流动显示和定量的PIV实验,对s/d=0.15情况下开缝圆柱内部缝隙流动以及旋涡脱落情况进行了细致研究,并测量了基准圆柱与开缝圆柱的脱落涡频率。数值模拟与实验测量结果符合得很好。实验和计算的结果表明,在一定雷诺数范围内,开缝圆柱缝隙内部流体呈现周期性的震荡,边界层底层经历"吸入"和"吹出"现象,根本上改变了近区尾流的结构。开缝圆柱尾迹呈现出明显的三维流向涡形态。缝隙内流体的上下震荡对圆柱绕流的周期性产生了显著影响,开缝圆柱的旋涡脱落频率和斯特劳哈尔数均高于相同雷诺数下的基准圆柱。     

垂直交叉双圆柱绕流数值模拟及涡结构分析

用分块耦合方法数值模拟了垂直交叉双圆柱绕流,两圆柱间距为圆柱直径的5倍,所取雷诺数为200.在交叉结构的中心流场比较复杂,用λ2方法准确地描述了其中的三维涡结构,发现上游圆柱规则的卡门涡街被下游圆柱截断成复杂的缠绕结构.与串列双圆柱相比,垂直交叉双圆柱绕流上下圆柱的升阻力特性、Strouhal数等都呈现出许多不同的特点,下游圆柱升力振幅小于上游圆柱,阻力平均值大于上游圆柱.本文旨在模拟出这种特定间距下的流场涡结构以及圆柱升阻力特性.     

五种湍流涡粘模型在二维方柱绕流数值模拟中的对比研究

为研究不同雷诺时均Navier-Stokes(RANS)模型在求解钝体绕流场的差异,采用五种两方程湍流涡粘模型计算了二维方柱的绕流场(雷诺数Re=22 000),得到了不同湍流模型在不同网格离散方案下的方柱气动力与流场特性。结合以往文献数据,通过对比不同湍流模型计算结果的差异,揭示了不同湍流模型的特点。研究结果表明:网格离散方案对方柱绕流数值模拟结果有重要影响;RNGk-ε湍流模型的计算效率最高,SSTk-ω湍流模型的计算效率最低;Standard k-ε湍流模型的计算结果准确程度整体弱于其余湍流模型;RNGk-ε湍流模型、Realizable k-ε湍流模型与Standard k-ω湍流模型的计算结果大致相当,较接近大涡模拟结果;SSTk-ω湍流模型的模拟结果优于其余湍流模型,其尾流区速度场与试验结果吻合较好;两方程湍流模型计算的二维方柱绕流结果与试验结果以及大涡模拟结果相比,存在不可忽略的差异。     

细长旋成体背风面非对称流场的DES模拟

利用脱体涡模拟DES方法对细长旋成体非对称绕流进行数值模拟,比较了基于S-A湍流模型的DES与RANS方法对背风面非对称分离涡的数值模拟能力,发现在大迎角非对称涡未破裂情况下,DES与RANS均能模拟出与实验相符的非对称绕流;当迎角增大,背风面非对称涡发生破裂时,RANS无法准确捕捉到背风面流场的非定常性,而DES能准确预测非对称涡的飘起与破裂,并与实验值接近。计算结果表明:与RANS方法相比,DES方法具有更好的模拟大攻角,大分离流动的能力,尤其在非对称流场的分离涡破裂模拟方面具有明显优势,能够更真实模拟出细长旋成体背风面分离涡破裂之后的非定常流动特征。     

利用分区ALE算法数值模拟圆柱湍流涡致振动

用分区算法结合任意拉格朗日-欧拉法(ALE)数值模拟了圆柱湍流涡致振动.求解基于非交错网格系统,压力求解采用压力泊松方程提法,湍流模型采用标准k-ε模型和重整化群(RNG)k-ε模型.计算取中等雷诺数Re=5000、10000、15000、25000、50000等,质量系数M=10.阻尼系数ζ=0.00331,自振频率fn=0.18315、0.1628.计算结果表明:湍流涡致振动下圆柱时均阻力系数大于孤立圆柱绕流,而升力系数(振幅)值都小于孤立圆柱绕流.随着雷诺数增大,湍流粘性系数随之增大,但湍动能和湍流耗散率变化趋势不明显.对孤立圆柱绕流,研究结果与前人实验结果基本相符.     

基于OPTICS聚类算法的流场结构特征分析方法

为了改进现有的基于聚类分析的流场结构特征分析方法,使之更加适用于结构风工程领域的风场特征识别与分析,依托聚类分析的思想,结合一种基于密度的OPTICS聚类算法,并引入相关距离的概念替换了原算法中的欧氏距离,提出了采用一种基于相关距离的OPTICS聚类算法进行流场结构特征分析.实例分析利用基于大涡模拟的计算流体动力学数值模拟,对低雷诺数下经典圆柱绕流问题进行了瞬态求解,获取了2000个圆柱尾流中顺流向涡的瞬态涡量场样本.然后,以识别圆柱尾流中的顺流向涡旋涡脱落状态和顺流向涡A模式展向分布为目标,对比了k-means、原始的OPTICS算法和基于相关距离的OPTICS聚类算法等流场结构特征分析方法.分析实例的结果表明,基于相关距离的OPTICS算法能够在合适的初始参数设置下有效识别顺流向涡脱落状态和其A模式展向分布间距,相对k-means算法降低了对初始参数的敏感度,聚类结果稳定且唯一.     

SLAU格式在大涡模拟方法中的应用

采用格心格式的有限体积法求解三维大涡模拟控制方程,成功地将最新改进的SLAU格式推广到大涡数值模拟方法中。SLAU格式的空间重构方式采用五阶WENO格式,时间推进采用LU-SGS隐式时间推进。湍流模式为最新提出的基于随机分析的动态亚格子模型。计算了圆柱绕流、NACA4412翼型绕流、NACA0012翼型绕流三个算例,分别从可压缩较大迎角翼型绕流、可压缩跨音速翼型绕流以及不可压缩低马赫数圆柱绕流三个方面验证了将SLAU格式应用到湍流大涡数值模拟计算中的可行性。结果表明,结合SLAU格式的大涡模拟方法可以达到较好的数值模拟效果,同时间接检验了基于随机分析的动态亚格子模型的数值模拟效果。     

微型飞行器低雷诺数矩形扑翼非定常气动特性的数值模拟

采用双时间步方法求解三维可压缩非定常N-S方程,数值模拟了微型飞行器低雷诺数矩形扑翼的非定常绕流,首先将得到的结果与文献进行了对比,数据间具有较好的一致性.然后针对不同的展弦比、减缩频率及初始攻角,计算了矩形扑翼的非定常气动特性及表面流态和动态压力分布,并分析了翼尖涡对扑翼非定常气动特性的影响.     

烧蚀环境下的圆柱绕流计算模型

基于多学科理论建立了高温高压气流环境下圆柱烧蚀、剥蚀的数理模型。利用离散涡方法计算流场与圆柱表面压力分布;采用三方程烧蚀模型计算热化学控制机制下的烧蚀速率,并将其与扩散控制机制下的结果相比较以确定烧蚀量;引入颗粒轨道模型求解剥蚀颗粒的运动。基于该模型对高温高压燃烧室内圆柱形烧蚀试件的绕流场、烧蚀量以及剥蚀颗粒的运动轨迹进行了编程计算分析。研究表明:低雷诺数条件下烧蚀环境对绕流流场的影响不大,而较高雷诺数条件下烧蚀绕流流场与无烧蚀绕流流场的涡街分布存在显著差别;在低雷诺数条件下流场对烧蚀速率的影响甚微,较高雷诺数条件下烧蚀速率略大于无流场烧蚀情况;涡量的存在决定着剥蚀颗粒的运动轨迹与分布,进而影响尾流热场与烧蚀速率。该模型可为热防护材料的烧蚀实验提供参考,并为烧蚀、剥蚀过程的非线性分析提供数据支持。     

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%。     

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.     

基于 LES 方法的增升装置气动噪声特性分析

在气动噪声数值计算中,流场的求解精度对涡流扰动的细节计算以及声学的求解结果有着重要的影响。本文应用 LES 方法对增升装置的流场进行数值模拟,采用可穿透积分面的 Ffcows Wil1iams-Hawkings(FW-H)积分方法进行远场噪声计算。采用圆柱绕流算例对本文的数值计算方法进行了验证,验证结果表明：本文所使用的LES 方法能准确地捕捉到涡脱落、流动分离等非定常流动现象,可为远场气动噪声的计算提供精确的近场流动的数值解;基于 FW-H 的声类比方法能够精确高效求解远场气动噪声。在此基础上,对增升装置噪声产生的流动特性、远场特性、风速影响等进行了数值模拟研究。结果表明：缝翼产生气动噪声的主要原因是,流动在缝翼和主翼之间的凹槽形成的不稳定波以及缝翼钝后缘的小脱落涡;襟翼产生气动噪声的主要原因是,襟翼附近由于流动分离产生的高频的小尺度不稳定涡和低频的大尺度涡。     

浸入边界法模拟小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制

使用浸入边界法研究了小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制.方法中使用非贴体笛儿尔网格,易于处理包含复杂边界的流动问题.采用离散附加力直接加入边界条件方法对虚单元进行重构,使边界条件在浸入边界上精确满足.使用隐式分步法解二维非定常不可压Navier-Stokes方程,通过速度和压力解耦提高计算效率.数值模拟单圆柱绕流及不同位置小圆柱和主圆柱的流动干扰,通过分析流场涡结构和升、阻力系数,得到小圆柱对主圆柱涡脱落的延迟和抑制作用.计算结果与已有实验结论和数值结果对比,计算误差不超过5%,说明浸入边界法可以简单有效地处理圆柱涡脱落抑制这类流动干扰问题.     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

特征无反射边界条件应用于二维圆柱绕流模拟

采用特征无反射边界条件和吸收层技术相结合的边界处理方法,研究了二维圆柱绕流模拟的边界反射问题。近年来在计算气动声学中提出了将大涡模拟和声学传播方程结合的混合方法求解声场,基于计算量的考虑,须在较小的计算区域内进行大涡模拟,这就需要在计算区域较小时,边界的反射尽可能小。作为大涡模拟研究的技术储备,将该方法应用于二维圆柱绕流的模拟中。数值结果表明这种方法在计算区域较小时,能起到很好的无反射效果,计算结果与前人在计算区域取得很大时的结果比较吻合。     

正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩N-S方程,对低雷诺数下正三角形排列等直径三圆柱的绕流与涡致振动进行数值模拟。圆柱振动简化为两自由度的质量-弹簧-阻尼模型,圆柱的动力响应通过Newmark-β方法求解。间距比在1.5~6.0之间变化,重点研究各圆柱的气动力和响应及相关的频率特性、尾流流动模式随间距比的变化。研究结果表明:三圆柱发生振荡时的气动力要远大于绕流结果,当间距比在3.5~4.0之间气动干扰最为强烈。当间距比大于3.0时,下游圆柱的横向和流向位移相位差出现周期性切换,导致升力系数均值出现波动,并且下游圆柱的质心运动轨迹为斜向上和斜向下椭圆形的叠加。三圆柱的最大横向位移幅值均能达到0.9D,下游圆柱的最大流向振幅达到1.1D,这说明组成多圆柱振荡系统单柱的横向位移远大于孤立圆柱发生涡激共振的最大位移,并且下游圆柱的流向振荡不可忽视。     

大迎角翼—身组合体涡流特性计算

论述了用非线性离散涡法来模拟大迎角下翼－身组合体涡流绕流的计算模型及计算方法；给出了一个典型翼－身组合体的涡流流态计算结果及非线性气动特性和截面压强分布。     

基于涡限制法的旋翼气动噪声计算

在直升机旋翼流动的数值模拟中,流动求解精度对旋翼气动噪声的预测有着重要影响.采用中心格式有限体积法求解可压缩Euler方程数值模拟旋翼绕流,并采用基于Ffowcs Williams- Hawkings( FW-H)方程的声类比方法计算旋翼气动噪声.为了抑制中心格式的数值耗散,保持机翼翼尖以及旋翼桨尖的尾涡结构,引入了涡...