非线性波流场和波流载荷的数值模拟

本文用数值模拟的方法研究了大尺度物体上所受的非线性波与水流的共同作用力。非线性水波与水流相互作用场的计算采用有限差分法,引入坐标变换获得了固定计算域,用松弛迭代法求解差分方程。波流联合作用力的计算用时间步进法,每一时刻采用简单格林函数的边界元法求解。入射势采用以上波流场的计算结果,开边界选取离物体足够远,其上的速度势为入射势。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

氧化硅体系非牛顿流黏性烧蚀行为分析

黏性系数对氧化硅体系材料的烧蚀速度有很大的影响,本文对非牛顿流黏性影响的范围及其量值作了数值模拟和分析。结果表明：（1）牛顿流黏度（s=1）处于烧蚀速度的低值区域,增加黏度对降低烧蚀速度的潜力不大;（2）非牛顿流黏度（s〉1）,可以增加阻力,但对降低烧蚀速度极为有限,在本文研究的热环境条件,其下降额度约为20%-30%,此时烧蚀速度接近全蒸发的烧蚀速度;（3）非牛顿流黏度（s〈1）,可以降低阻力,烧蚀速度明显增加。     

非结构网格下可压缩黏性流体的隐式算法

采用牛顿线化和Roe近似Jacobians矩阵隐式算法,实现基于非结构网格的三维定常黏性流动问题的求解.分别对平板、跨声涡轮叶片Mark-Ⅱ和CW-22这三种具有代表性的流动进行数值模拟,并详细分析了流动细节,模拟结果与理论以及实验值吻合良好,准确预测了流场内激波、二次流等重要的流动现象.验证了基于非结构网格的可压缩流体隐式计算方法对于黏性流动问题的计算是正确的.      

舰载机暖机对舰岛影响的CFD数值模拟

为了对机舰适配性提供技术支持,文章研究了舰载机暖机对航母舰岛的热作用影响。首先,采用CATIA软件,建立航母与舰载机的3D数字样机;其次,采用Fluent软件,基于标准k-ε方程的湍流模型和三维N-S方程的控制理论,对航母与舰载机系统的数字样机进行CFD数值模拟,数值模拟了甲板风和燃气流相互作用和热交换作用下对舰岛的影响,并得出航母流场流线图、速度云图、动压云图和温度云图。数值模拟结果表明:暖机时,舰载机发动机的燃气流对舰岛及周边设备影响很大;最后,提出参考建议:舰岛及附近设备应进行抗热性能改进以满足暖机要求,人员禁止进入燃气流影响到的高温区域。     

风吹雪数值模拟的两方程模型方法

采用两相流理论,根据雪颗粒的运动机理,提出了新的两方程数值模型方法,认为跃移层传输方程中的源项与壁面摩擦速度、雪层阀值摩擦速度的相对大小有关,并引入待定系数来确定源项的缩放比例。接着基于数值试验的方法开展参数分析,采用将不同参数条件下的跃移质量浓度与经验公式结果进行比较的方法来确定待定系数。为了验证该方法的适用性,对开阔场地条件下的风致积雪运动进行了模拟,并与实测数据进行了比较。结果显示,数值模拟结果与实测数据吻合较好,能够定量地重现风致积雪运动的重要特性。模拟的跃移层雪质量浓度与实测结果比较一致;而悬移雪质量浓度偏高。总质量传输率的模拟结果落在实测值范围之内。     

圆柱近尾迹流动转捩特征的数值研究

本文用区域分解，杂交数值模拟方法研究了Ｒｅ＝３０００圆柱绕流近尾这中旋涡脱落及转捩波这两类不稳定性的时空发展与相互作用。速度功率变分析所得的无量纲转捩波频率比ｆｔ／ｆｉ符合Ｒｅ＾０．８７关系，与Ｗｅｉ＆Ｓｍｉｔｈ实验结果一致，而与Ｂｒｅｚａ等的数值预计的不同。     

航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究

旋转帽罩表面的对流换热系数是结冰、防冰研究的重要参数,旋转帽罩结冰模拟中对流换热量和蒸发量都需要已知对流换热系数。为了获取旋转帽罩表面的对流换热系数,采用数值模拟对旋转帽罩结冰表面的对流换热系数进行了研究。首先验证了网格与计算方法的合理性和可靠性,在此基础上,对影响表面换热的因素进行了分析,计算了不同转速、来流速度、来流温度对锥角40°,锥高176mm的旋转帽罩表面换热系数的影响。结果表明:锥尖区域,来流速度的影响与转速影响相比占主导;除锥尖外的其他区域,转速对换热系数的影响占据了主导地位;来流温度对整个表面的换热系数均有影响。采用不同工况下的数值模拟结果,在锥尖区域建立了来流雷诺数与努赛尔数之间的关联式;在除锥尖外的其他区域建立了旋转雷诺数与努赛尔数之间的关联式。     

基于Boltzmann模型方程不同流区复杂三维绕流HPF并行计算

随着现代航空航天快速发展,是否能建立一套可有效模拟稀薄流到连续流各流域绕流问题统一算法,已成为工程应用部门和学术研究领域关心的问题。通过开展基于Boltzmann简化速度分布函数方程数值求解,发展起从稀薄流到连续流统一算法。借助区域分解并行化方法研究建立气体运动论统一算法并行方案,通过对统一算法进行HPF并行化程序设计及算法考验,拟定不同流域三维球体绕流及类"神舟"返回舱外形体绕流算例,进行HPF并行计算,并将计算结果与有关实验数据、DSMC模拟值进行定量比较、分析。研究表明,所发展的统一算法具有很好的并行独立性,基本达到了线性加速的并行效果,算法负载平衡和并行可扩展性较好,可望建立起新型的能可靠模拟不同流域三维绕流问题的HPF并行算法研究方向。