不可压粘性流体力学初值问题的拟变分原理及其广义变分原理

利用Laplace变换将不可压粘性流体动力学的方程与边界条件变换到象空间上,同时也就把初值条件引入到象空间的方程内。然后在象空间利用变积方法建立不可压粘性流体动力学的拟变分原理和广义拟变分原理,再将它们拉氏反演到原空间内,即得时间域内的不可压粘性流体动力学的变分原理及其广义变分原理。最后用一个具体的例子对原理的应用进行了说明。     

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

不可压缩湍流的多尺度模型

基于可变时间间隔平均方法,提出了一种不可压缩湍流多尺度模型及平均流动方程.与传统的单尺度湍流模型不同,该模型在建立的过程中,保留了湍流的多尺度特性,结合平均流动方程,可以更好地预测湍流流场特征.通过模拟平面后台阶流动和不对称平板扩压器流动,并将预测结果与标准k-ε模型的预测结果对比,初步验证了其可信性及优越性.结果表明:计算所得的平面后台阶流动的流向再附长度与台阶边压力系数比比标准k-ε模型提高精度约20%;平板扩压器流动的回流区位置误差约为7%、倾斜壁面摩擦因数误差约为5%,而标准k-ε模型未能预测出分离现象.可以看出该模型适用于典型的分离流动,在湍流流场的预测中表现优异,具有一定的工程应用价值      

绕刚体的分离涡流到绕柔体的受控势流

在小粘性流体的现实环境中,人类学会了利用适当产生的边界层及其涡量来构造航行器和流体机械,这导致了涡动力学的形成和发展,并把经典势流理论的应用范围推到边界层、自由剪切层和旋涡之外.但是,边界层是一柄双刃剑.它本身、它的分离、失稳、转捩,以及由此而来的各种涡结构,无一不带有或大或小的副作用.现在,人们遇到的刚体大雷诺数绕流问题越来越复杂(包括湍流).这些复杂性大都源于边界层的各种不利的、甚至灾害性的副作用.但是,随着变形体绕流研究的开展和智能变形材料的开发,人类有可能造出新的近壁流态来代替刚性物面的层流或湍流边界层,使近壁流之外的流场全是势流.     

船舶涡旋流堵漏桨叶位置与涡旋流形成效果的关系研究

船舶涡旋流堵漏方法是为克服现有堵漏手段存在的不足而提出的一种新技术思想。在自行设计制作了专门实验装置的基础上,分别利用柔性桨叶和刚性桨叶进行了一系列涡旋流堵漏实验,定量研究了桨叶工作位置对破口进水量的影响规律,进而揭示了桨叶位置与涡旋流形成效果的关系。实验结果发现：当桨叶与破口处于同一高度且距离破口越近时,对降低破口进水量的效果越明显,使用于堵漏的时间可延长300%以上。这一结论可为船舶涡旋流堵漏方法的完善提供必要的理论基础和实验依据。     

粘性极低速流动的预处理方法研究

讨论了采用预处理方法计算低速流动时遇到的参数选择、计算格式、舍入误差等问题,提出了一种适用于粘性计算的预处理参数计算方法.计算结果表明,使用高速流的计算格式计算低速问题时,即使残值收敛,也有可能得不到正确的计算结果;AUSM+-up格式适用于低速计算;马赫数小于等于10-6时,舍入误差会造成数值解无法收敛.     

粘性超声速绕体流动的有限谱法计算

首先推导出粘性可压缩流体动力学基本方程组在广义坐标下矢通量分裂的一般形式，并将有限谱ENO格式用于求解超声速流动问题。通过典型算例，验证了这一格式的精度和稳定性。然后进行了圆柱和机翼超声速绕流的数值模拟，得到了与实验和其他计算相符的结果。这表明有限谱法不单具有精度高，应用灵活等多方面的优点，而且突破了传统谱方法全域性的局限，可以成功地应用到一般形状流场可压缩流动的数值计算中。     

Numerical simulation of viscous flows with adaptively refined Cartesian grid

Quadtree-based Cartesian grid was automatically generated from specified geometry.Adaptive refinements were performed according to geometric parameters and solution of flow field.An altered CCST (curvature corrected symmetry technique) approach was proposed to apply solid wall boundary conditions.Driven flows in a square cavity and flows around NACA0012 airfoil were simulated and compared with the result of published structured grid and stretched Cartesian grid.The results show that solid wall boundary condition are accurately applied by current altered CCST approach,while incompressible/compressible subsonic,transonic and supersonic viscous flows are adequately simulated with adaptively refined Cartesian grid.      

前缘剖面形状对80°／60°后掠双三角翼上涡流运动影响的数值模拟研究

采用上风高分辨率格式———通量差分分裂格式离散求解三维可压非定常薄层N S方程 ,数值模拟前缘剖面形状对 80°/60°后掠双三角翼上涡流运动的影响。计算模型包括尖前缘、菱形前缘、圆形前缘等三种不同前缘形状的机翼。计算结果表明 :三种不同剖面形状的前缘可以诱导产生不同的前缘分离 ,形成的各前缘剪切层的特点也不同。尖前缘机翼的边条翼涡和外翼涡合并点最靠前 ,其次为菱形前缘和圆形前缘的机翼。在大迎角情况下 ,三种机翼上的内翼涡发生破裂。圆形前缘机翼上的内翼涡破裂点比其它两种情况下破裂点的位置较靠前。涡的合并对二次涡的结构和特点也有显著的影响。     

AUSM+方法在黏性内流模拟中的应用

简要阐述了三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解程序中使用的对流迎风分裂格式改进形式(AUSM+)以及Spalart-Allmaras(S-A)一方程湍流模型,然后对Sajben收缩扩散通道内跨声速流动和高速透平静叶排内部流动进行了数值模拟,并将数值结果与实验结果进行了比较,结果表明自主开发的三维R...     

不可压湍流反应流直接模拟和RANS反应模型检验

用谱方法对三维不可压槽道湍流反应流动进行了直接数值模拟,得到了温度和质量分数耦合的瞬态数据库.结果显示温度与质量分数脉动在近壁区都有条带结构.推导了雷诺平均方法中湍流二阶矩反应模型中所求关联量的精确输运方程,发现耗散项是化学反应率系数-质量分数关联量封闭的关键,耗散项需要考虑化学反应影响.基于数据库的统计结果,对关联量模型方程中各项进行了先验研究,发现产生项和耗散项的贡献最大,扩散项和反应项的贡献较小,化学反应对各项大小和分布形状有明显影响.在算例中,直接模拟统计得到的化学反应率系数-质量分数关联和用代数二阶矩模型的模拟值很接近,说明ASOM模型具有一定的合理性.      

微型飞行器小展弦比薄翼流场的不可压数值模拟

采用虚拟压缩方法求解三维不可压缩N-S方程,数值模拟了无弯度、有弯度两类微型飞行器低雷诺数小展弦比薄翼的流场,将得到的结果与实验进行了对比,数据间有较好的一致性.然后在此基础上分析了弯度、展弦比等因素对小展弦比薄翼气动力特性的影响以及翼尖涡随攻角、展弦比的变化规律,发现翼尖涡是影响小展弦比薄翼气动力的一个重要因素.     

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。     

强粘性层流理论及在粘性流计算中的应用

对高雷诺数流动计算，为了解决部分粘性项甚至全部惯性粘性项落入误差与流动物理尺度的关系问题，本文提出强粘性流动理论。强粘性流中至少有一个粘性项与惯性项同量阶，理论包含了物理尺度各向极限、经典边界层和多层边界层理论为其特例，给出了从经典边界层向物理尺度各向相同极限演化的尺度规律和粘性惯性诸项变化的量阶关系，阐明了粘性与惯性力强相互作用将在剪切层的法向以流向同时“激发”涉尺度结构。对粘性流计算，利用强粘性剪切流尺度律重新标度NS格式的修正微分方程，给出临界网格尺度与流动物理尺度和差分格式精度的关系，得到部分粘性项落入误差和计算结果为非物理数值粘性解的二个判据。并以流场中的边界层、驻点和分离点领域计算为例说明理论的应用，对强粘性剪切流计算、证实部分粘性项甚至全部粘性惯性项落入误差的问题值得重视。     

高阶精度DG/FV混合方法在二维粘性流动模拟中的推广

DG/FV混合方法因其具有紧致性、易于推广至高阶及相比同阶DGM计算量、存储量小等优点,已成功应用于一维/二维标量方程和Euler方程的求解。在此基础上,将该方法推广于二维三角形/矩形混合网格上的NavierStokes方程数值模拟,将格式形式精度提高至4~5阶。物理量的空间重构及离散使用DG/FV混合重构方法;无粘通量计算采用Roe格式;粘性通量计算采用BR2格式;时间方向离散采用高阶显式R-K方法或隐式方法。利用该方法计算了有解析解的Couette流动问题以验证几种格式的数值精度阶,并计算了层流平板流动和定常、非定常圆柱绕流问题等经典算例。计算结果表明DG/FV混合方法达到了设计的精度阶,在较粗的网格上亦能得到高精度的计算结果;定性分析和数值结果表明相比同阶DG方法单步计算量减少约40%。     

用高精度紧致差分格式分块耦合求解二维粘性不可压缩复杂流场

本文提出了张量形式的粘性不可压缩流场方程的高精度分块耦合求解方法。在分块算法中用重叠一层的方法来实现子块间的数据交换，同时克服了块剖分所造成的数值奇性。利用本文所提出的算法成功地模拟了椭圆柱绕流问题的时间发展过程，如尾流，旋涡的产生，脱落过程以及Karman涡街的形成等。     

波瓣喷管引射-混合器涡结构的数值研究

通过波瓣喷管引射-混合器的流场三维数值计算,得到了流向涡和正交涡产生、衰减的演变以及对混合效率的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射能力和混合效率的内在机理.结果表明:喷管出口流向涡的尺度基本与波瓣的高度相当,流向涡可以诱发主流和次流之间强烈的对流混合,在喷管下游一倍混合管直径的混合距离内强化混合作用显著,随着流向涡向下游发展,涡强衰减迅速;正交涡具有与波瓣尾缘一样的几何外形,在混合管下游,由于主流和次流之间的速度梯度下降,正交涡的强度显著降低,对强化混合的影响不大.     

High-order compact finite volume methods on unstructured grids with adaptive mesh refinement for solving inviscid and viscous flows

In the present paper, high-order finite volume schemes on unstructured grids developed in our previous papers are extended to solve three-dimensional inviscid and viscous flows. The high-order variational reconstruction technique in terms of compact stencil is improved to reduce local condition numbers. To further improve the efficiency of computation, the adaptive mesh refinement technique is implemented in the framework of high-order finite volume methods. Mesh refinement and coarsening criteria are chosen to be the indicators for certain flow structures. One important challenge of the adaptive mesh refinement technique on unstructured grids is the dynamic load balancing in parallel computation. To solve this problem, the open-source library p4est based on the forest of octrees is adopted. Several two- and three-dimensional test cases are computed to verify the accuracy and robustness of the proposed numerical schemes.     

Detached-Eddy Simulation of the vortical flow field about the VFE-2 delta wing

The numerical simulation of the flow for the VFE-2 delta wing configuration with rounded leading edges is presented using the Cobalt Navier–Stokes solver. Cobalt uses a cell-centered unstructured hybrid mesh approach, and several numerical results are presented for the steady RANS equations as well as for the unsteady DES and DDES hybrid approaches. Within this paper the focus is related to the dual primary vortex flow topology, especially the sensitivity of the flow to angle of attack and Reynolds number effects. Reasonable results are obtained with both steady RANS and SA-DDES simulations. The results are compared and verified by experimental data, including surface pressure and pressure sensitive paint results, and recommendations for improving future simulations are made.     

三角翼DBD等离子体流动控制研究进展

现代战机采用较多的三角翼,在大迎角绕流时存在前缘涡破裂等气动问题。作为新型主动流动控制技术,等离子体激励频带宽、响应快、结构简单、便于闭环控制,在解决三角翼气动问题上具有潜力。回顾了介质阻挡放电（DBD）等离子体气动激励的基本原理,及其用于三角翼前缘涡控制的研究进展。从来流条件、几何构型、激励参数等方面分析了DBD等离子体激励对流动控制效果的影响规律;结合不同激励频率下流场演化特性,分析了流动控制机理。最后,从理论研究和工程应用的角度,对三角翼前缘涡控制的发展进行总结展望。