热力学中最小熵增原理在流体力学中的应用

本文运用非平衡态热力学中最小熵增原理,分析了层流和湍流流动在接近热力学平衡定态时的特性。特别是在湍流流动中,舍弃了以往一些经验性的假设,指出流动处于局部机械平衡时可由最小熵增原理导出速度和温度分布。反之亦揭示了充分发展的湍流遵循最小熵增原理的这一机理。     

关于两方程湍流模型的考虑

通过对两方程湍流模型的分析,提出了在主流区或远壁区用两方程模型,近壁区用代数湍流模型的思路,即所谓的“双层”模型概念。通过对平板湍流附面层的计算表明,这种分层计算措施获得的速度分布、壁面剪切力较单纯应用低雷诺数两方程湍流模型时的结果准确。对非均匀来流条件下90°弯管内高湍流度流场的计算表明,双层模型可获得更加准确的速度分布。从而表明本文提出的分层计算措施是有效的,可满足工程计算要求。      

盖板式预旋系统的压比和熵增特性

对预旋系统内的压力变化相关研究较少。基于理论分析、实验测量以及数值计算,对某盖板式预旋系统的压比及熵增特性进行研究。通过理论推导,对预旋系统内压比与无量纲温降的关系进行分析。在最高转速可达10000r/min的高转速实验台上,测量了转盘上的气流静压以及相对总温,进而获得压比及熵增特性。进行三维数值计算,将数值计算结果与实验结果进行了对比,并根据数值计算结果对预旋系统内的熵产分布以及各元件的熵增情况进行分析。结果表明:系统温降以及旋转马赫数大小决定了预旋系统的理想最大压比,而实际压比与理想压比的比值取决于系统内的熵增大小。采用数值计算以及实验测量所得结果对理论关系式进行了验证,最大偏差2.7%。旋转马赫数一定的条件下,随系统无量纲温降增大,系统压比逐渐减小。由于熵增影响,实测压比与理想压比最大相差约36%。预旋系统内的熵增主要发生在预旋腔静止壁面、接受孔前后、供给孔进口等气流旋转比发生剧烈变化的区域。预旋系统内主要元件的熵增随流量增大都呈逐渐增大的趋势,但接受孔处熵增最小值出现在喷嘴出口旋转比等于1左右时,流量过小或过大都会导致接受孔处熵增变大。     

湍流模型在民机跨声速绕流计算的应用

针对民机构型DLR-F6翼身组合体,研究了不同湍流模型对气动特性和流场特征的影响.控制方程采用全场三维可压、雷诺平均的Navier-Stokes方程;计算格式采用Jameson中心有限体积、多步Runge-Kutta时间步长格式进行求解;湍流模型分别采用EARSMk-ω模型、Spalart-Allmaras(S-A)模型、SST模型、Standardk-ω(STDk-ω)模型、Low-Reynolds Numberk-ω(LRNk-ω)模型.通过对巡航状态的计算研究,分析了五种湍流模型在翼身结合处气流分离的特点,为工程应用提供了一定的借鉴意义.     

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

对称交叉激波和湍流边界层相互作用的数值研究

针对两种双尖鳍外形的对称交叉激波与湍流边界层相互作用,采用N-S方程和两种湍流模型进行了计算。研究了网格收敛性、鳍的角度和湍流模型对壁面压强、Stanton数和壁面摩擦力线的影响。弱相互作用的计算结果较好,强相互作用的壁面压强和摩擦力线的计算结果与试验吻合较好,而Stanton数的计算结果较差,峰值高达试验的2.5倍左右。随着鳍的角度的增加,壁面压强和Stanton数的分布从单调分布发展为M型分布,两者的峰值不在相同的位置。湍流模型对壁面压强和壁面摩擦力线影响很小,对Stanton数计算的影响很大,SST模型比BSL模型表现好一些。     

湍流模型对湍流射流CFD模拟的影响

横流中的湍流射流涡旋结构复杂,湍流模型对其模拟结果影响很大。采用S-A,Realizable k-ε,k-ω和SST k-ω四种湍流模型对吹风比为0.5和1.5工况下的横流中射流进行了数值模拟研究。与实验值比较验证了数值模拟结果的可信性。分析了旋转张量和剪切张量对湍流生成的影响。发现四种湍流模型对下游速度分布的预测均较为准确,在小吹风比下S-A模型性能最好;在大吹风比下k-ω模型较为准确。     

两方程湍流模型的可压缩性修正及其应用

本文在不可压两方程湍流模型的基础上进行可压缩性修正,给出了ｋ－ε、ｋ－ε两方程模型的可压缩性修正方程,并对亚声平板湍流流动和跨声喷管流动进行了数值模拟,得到了较好的结果。从而证实了两方程湍流模型经过可压缩性修正,能较好地模拟可压缩流动。     

两种差分格式和两种湍流模型在轴对称冲击射流数值计算中的比较

用延迟修正QUICK和乘方两种差分格式，结合标准k-ε模型和一种基于重正化群（RNG）思想的k-ε模型，对半封闭轴对称涡流冲击射流场进行了数值模拟。通过与实验结果的比较，考察了两种差分格式对计算结果的影响，并讨论了两种湍流模型对冲击射流场的数值预测能力。研究表明：当都采用标准k-ε模型时，QUICK格式得到的结果比乘方格式更接近于实验值，尤其对湍流能分布；当都采用QUICK格式时，RNG k-ε模型的预测值比标准k-ε模型更准确。     

新型单方程湍流模型构造及其应用

为了提高雷诺应力本构关系式对于非平衡湍流的预测精度并且兼顾求解效率,发展了一种基于湍动能k的单方程(KDO)湍流模型。其主要思路为:采用平板直接数值模拟(DNS)数据对原始Bradshaw假设进行重新标定,使得当地湍动能和雷诺主应力之比能够根据当地流动条件进行自适应调节;同时,对标准k-ε模型中的湍流耗散率输运方程采用代数形式进行模化,进而形成一种一方程湍流模型。算例结果表明:KDO湍流模型对于对数率能够准确反馈,而在带有激波或部件干扰等流动现象的RAE-2822、ONERA-M6和DLR-F6算例中,KDO湍流模型能够准确控制湍动能的增长和衰减,相比于Spalart-Allmaras和Menter k-ω剪切应力输运(SST)模型,KDO湍流模型的计算结果有了较为明显的改善。     

Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟,评估了Spalart-Allmaras, 标准k-ε, RNG (re-normalization group) k-ε,realizable k-ε,标准k-ω,SST(shear stress transport) k-ω,v2-f,Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SST k-ω模型和v2-f模型比其他模型模拟的更准确,其中SST k-ω模型比v2-f更能准确地预测壁面压力,然而对于分离点、再附点以及分离区长度v2-f比SST k-ω预测得更准确.      

基于非结构重叠网格的二维N-S方程求解与应用研究

本文发展了非结构重叠网格技术.通过构造任意单元类型网格重叠的网格间边界确定算法、宿主单元搜索算法以及网格间插值算法,把非结构重叠网格推广应用于求解NS方程,并结合湍流模型模拟二维湍流流场.N-S方程的求解采用有限体积法,通量计算采用Osher格式,湍流模型采用SA模型.为验证本文方法的正确性和有效性,模拟了RAE2822翼型和某三段翼型绕流湍流流场,结果表明采用非结构重叠网格模拟复杂外形湍流流场不但网格生成效率高,而且容易推广应用于具有相对运动的非定常问题,具有较高的工程应用价值.     

变热线过热比可压缩流湍流度测量方法优化

开展了可压缩流中湍流度测量技术的优化研究,以满足对试验数据高精度评估的需求。在变热线过热比湍流度测量方法推导过程中,忽略了压力脉动项以简化湍流度求解过程。为更加准确评估高速风洞流场湍流度,引入了压力脉动项,以恒温热线风速仪响应关系式为基础,从理论上对可压缩流中湍流度的求解方法进行了优化。在马赫数0.3~0.7进行了湍流度测量试验,并分别利用优化前后的湍流度求解方法对试验数据进行了处理。结果表明两种求解方法所得的湍流度结果量值相近,但优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果随马赫数的变化趋势更加符合客观物理规律。利用蒙特卡洛模拟方法对湍流度的不确定度进行了求解,不确定度量值远小于湍流度量值,表明优化后的湍流度求解方法所得的湍流度结果基本能够代表真实值。试验结果证明了优化后湍流度测量方法的正确性及应用恒温热线风速仪对高速风洞流场湍流度进行测量的可行性。     

可压缩流湍流度变热线过热比测量方法

开展了可压缩流中湍流度测量技术的研究,以满足高速风洞高精度试验能力的需求。以对流换热规律为基础,从理论上对可压缩流中热线金属丝热平衡关系式进行了推导,以此为基础,详细推导了恒温热线风速仪的响应关系式,得到了质量流量和总温灵敏度系数的显式表达式,建立了可压缩流中湍流度的求解方法。在马赫数为0.3~0.6范围内进行了湍流度测量试验,以响应关系式为数学模型,利用双曲线拟合方法对试验数据进行了拟合分析,求解得到了马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.3%~0.6%。对热线输出电压进行了频谱分析,根据频谱特性,利用低通滤波对频域信号进行了处理,有效降低了时域信号脉冲尖峰对湍流度求解的影响,滤波后求解得到马赫数在0.3~0.6范围内流场湍流度约为0.1%~0.3%,与前期测量结果相符。试验结果证明了所建立理论方法的正确性及利用恒温热线风速仪变过热比方法测量可压缩流湍流度的可行性。     

Detached-Eddy Simulation方法模拟不同类型翼型的失速特性

 应用DES(Detached-EddySimulation)方法数值模拟了3种不同失速类型的翼型的升力特性。DES方法结合了RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)和LES(LargeEddySimulationapproaches)的优点。基于Spalart-Allmaras湍流模型,在近壁面DES体现为RANS模型的特点而在远离物面处又具有LES的亚格子模型的特性。对此模型使用了LU-SGS隐式格式求解。通过和实验结果对比,显示这种方法可以有效地预测翼型的失速特性。     

湍流模型源项的数值处理方法对计算结果的影响研究

涡粘性湍流模型广泛应用于各种工程湍流问题的计算。对于大多数湍流模型,在湍流控制方程的右端会出现源项,其刚性给数值计算带来很大的影响。从源项的物理意义出发分析了源项导致求解困难的原因,并在通用的求解湍流模型方程的点隐法基础上,以源项弱刚性的S-A湍流模型和源项强刚性的k-ωSST湍流模型为例,论述了生成项和耗散项之间的平衡关系对数值模拟的重要意义,给出了针对不同源项的具体处理方法。对RAE2882翼型跨声速流动算例的模拟结果表明,这些处理方法有效的提高了控制方程组的计算稳定性。     

基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

根据飞行仿真、控制律设计等应用需求,采用有理谱法建立了基于大气紊流Von Karman模型的有理式模型结构。对不同阶次有理式模型精度的对比分析研究表明,五四模型在整个频率范围内更为接近Von Karman模型。采用五四模型可更为精确地反映大气紊流高频特性对弹性飞行器运动及弹性振动特性的影响,并将五四模型应用于飞行仿真,分析了大气紊流对飞机纵向运动的影响。研究结果表明,该模型具有工程实用性。     

面向精准工程湍流模型的理论研究

长期以来,工程湍流模型建立在量纲分析和经验修正的基础上,绝对预测能力不足而且模型参数的意义不明确。关于湍流边界层的理论研究一直平行地在两条路线上前行,或是经验性地构造有关平均速度或动能的分布,或是利用数值模拟等技术对于湍流脉动结构进行精细刻画。二者之间的分割导致对湍流边界层物理图像的不完整,从而限制了对一系列相似性关系的揭示。新近发展的结构系综理论,立足于探索由于固壁对于流场的雷诺应力各个分量所表现的拉伸对称性约束,完成了一个对于平均速度和动能剖面的统一描述,从而形成了一个构建工程湍流模型的新思路:一方面,理论指导如何开展湍流DNS(Direct Numerical Simulation)和LES(Large Eddy Simulation)的大数据分析,提炼对定量描述复杂流动有物理意义的多层结构参数;另一方面,指导开发物理图像清晰、定量描述精确的新型湍流(代数)模型。结构系综理论揭示了壁湍流所共有的普适多层结构,完整地刻画了边界层湍流的雷诺数、马赫数相似性,有望推动理论空气动力学研究进入一个定量化、精确化的新阶段。     

CFD数学模型的线性化方法及其应用

计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:① NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;② NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;③ AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。