高超声速化学非平衡粘性激波层方程的数值解

本文讨论了高超声速粘性激波层方程数值计算时差分格式引起的物理失真问题。具体分析了全隐格式格式粘性的影响,并作了数值试验。为了验证隐式结果的可靠性。在超声速激波风洞中测量了钝锥的表面压力分布,并与计算结果作了比较,两者基本一致。 本文采用隐式有限差分法数值计算了高超声速化学非平衡粘性激波层绕细长球锥的流动。计算时采用连续方程和法向动量方程耦合求解的方法以解决细长体远后身区计算中的问题。应用网格技术和加强系数矩阵主对角元素优势的方法提高了化学非平衡流计算的雷诺数范围。文中给出了高超声速化学非平衡流的计算结果,并与其它文献的结果作了比较。     

烧蚀外形三维粘性流场数值模拟

本文通过求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了三维奶头型烧蚀外形粘性流场。差分格式为Yee和Harten的迎风隐式TVD格式,在空间方向具有二阶精度。计算得到了高质量的激波和合理的流场结构。物面压力分布与实验结果进行比较,符合较好。     

粘性高超声速激波—激波碰撞的计算和分析

本文用特片变量型的隐式ＮＮＤ格式计算了五种类型的高超声速激波－激波干扰流场，得到了清晰的流场结构图画。激波和剪切层等分辨得很清楚。计算的物面压力与实验甚为吻合。借助于激波极曲线，对第４类激波干扰结构进行了分析，解释了干扰引起物面压力增高的原因。     

用N-S方程有限体积法计算弹体绕流/底喷流

用单元中心有限体积法在物理空间曲线网格离散积分形式N-S方程，用坐标变换计算粘性通量项中的各偏导数值，用Runge-Kutta三步显式格式进行时间推进求解。采用了人工粘性、当地时间步长及隐式残值光顺。计算了旋成体大迎角涡流和带底部喷流的绕流场。计算中发现，各向异性隐式残值光顺较之各向同性隐式残值光顺能更快地加速迭代过程的收敛。计算的物面压力分布与实验基本符合，计算的旋成体大迎角涡流图谱合理。计算结果说明底部喷流对旋成体绕流及空气动力载荷有显著影响。     

紧致格式数值模拟超音速粘性绕流问题

通过数值求解可压Navier-Stokes方程的方法计算了球锥粘性绕流问题。方程中粘性项按通常办法逼近,为改善收敛速度利用了文[1,2]中之算子附加修正方法。方程中之流向导数利用了四阶精度的紧致差分。这是由于该方向上流动参量光滑和边界条件易于处理的缘故。在法向方向上利用了中心差分。对差分方程之隐式部分利用了近似因式分解法。由于选用了文[3]中之特殊Jacobiall系数矩阵分裂法而使计算工作量大为减少。用这种方法计算了超音速粘性绕流问题。计算结果与实验结果相符很好。     

计算钝头体脱体绕流流场的稳定法

本文讨论了如何应用MacCormack八步交替方向格式计算头部无粘绕流问题。为了克服在音速区和驻点附近的局部不稳定性,我们在校正步中引入了二阶粘性项。在激波、物面和外边界点上,均采用二阶单向的差分格式,它既能保证差分格式的精度,又具有省计算时间的优点,本文还讨论了如何合理地使用物面条件和激波补充条件问题。我们曾计算了包括奶头形在内的各种光滑的钝头外形的绕流问题,结果表明,绕球计算的数据与文献[7]是完全一致的,它说明方法是精确的。绕奶头形计算的结果表明,采用本文的方法捕捉次激波,基本是成功的。     

欧拉方程隐式迭代矢通量分裂跨音流场计算

 本文用矢通量分裂格式的有限体积法求解时间相关欧拉方程组。文中证明,矢通量分裂的有限体积法不能再采用物面反射边界条件。二维问题用隐式迭代法解代数方程组,第三维方向上则用强隐格式往返扫描。此法CFL数可达100的数量级,收敛快,占内存少。跨音流场计算结果与实验符合良好,激波只占一两个网格。     

双钟型喷管高度补偿特性的数值分析

针对双钟型喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象，应用RNGκ-ε湍流模型封闭二维粘性可压缩N-S方程组，采用二阶迎风格式及隐式Gauss-Seidel迭代方法进行耦合求解，对双钟型喷管流场进行数值模拟研究。结果表明，双钟型喷管在低空出现壁面可控流动分离，避免了过膨胀现象，性能优于大面积比钟型喷管；在高空下为完全附着流动，性能优于小面积比钟型喷管，实现了高度补偿特性。     

Navier-Stokes方程的参量样条分步解法

作者建议了应用参量样条求解N-S方程的按坐标方向进行分步计算的隐式格式。在每个坐标方向上,仅需求解一三对角形方程组。与SADI方法相比,具有更大的适应性,可节省计算机时,减少内存量。应用于带有斜激波的粘性流和高雷诺数下的平面Cavity流动问题的数值结果是令人鼓舞的。     

增强碳/碳球锥切削中的最小热应力优化研究

对将增强碳/碳纤维块体切削成球锥外形的工艺,块体热膨胀系数异性轴指向可以极大地影响球锥热应力大小,存在优化设计的潜力。本文对增强碳/碳不同主轴方向弹性模量比值下的球锥最小热应力优化特性进行了研究,发现以1为界,不同模量对比关系下的优化特征是完全不同的。在本文加热条件下,当异性轴模量小于同性面模量时,优化曲线对温度场变化很敏感,以块体异性轴和球锥横截面成±42.9夹角时热应力最小;当异性轴模量大于同性面模量时,优化曲线随加热时间变化不大,以块体同性面与球锥对称轴平行或成小锐角时热应力最小。一般而言,工艺设计中应避免用模量大的主轴方向指向球锥对称轴方向。     

非结构网格上N—S方程解法研究及在多段翼型绕流中的应用

在非结构网格上求解N－S方程时，靠近物面的网格伸展比相当大，用有限体积法进行显式求解时不易收敛并且雷诺数有一定的限制。本文采用的人工耗散项中含有网络的方向尺度，因而在不同区域选取不同：在粘性区内该项比物理粘性项小得多，在粘性区外与Jameson的人工耗散项相同。生成非结构网格采用的是层推进技术与传统的阵面推进法相结合的方法，这样能保证在粘中性区内网格有一定的方向规则，而在粘性区外网格完全非结构化。     

弹道再入飞行器的无粘绕流及表面加热率的一种工程数值解法

RVSPHR是一种确定弹道再入飞行器无粘气动力和表面热流率的近似数值计算程序。在头部亚跨音速区内,由工程方法给出激波角及压力分布,并假定激波层内的物面法向压力和法向速度剖面,而相应的激波形状则按质量守恒条件迭代调整。下游超音速区仍由严格运动方程差分数值求解。在无粘流计算的基础上,用无需迭代的熵吞技术,计算表面热流率。所有计算结果与严格数值解及实验值作了比较,其一致性较好。     

用隐式WENO格式计算悬停旋翼跨声速流场

发展了一种基于高阶迎风格式的计算悬停旋翼跨声速流场的隐式有限体积法。对流项采用Roe通量差分分裂格式,使用五阶WENO格式进行左右状态重构,并与MUSCL插值进行比较;粘性项采用中心有限体积法。为提高收敛到定常解的效率,时间推进采用LU-SGS隐式方法。数值模拟采用了一种能够有效传递网格间流场信息的重叠网格,其中使用了三层内边界和贡献边界的方法以便插值的直接进行。用该方法对一跨声速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算,数值结果表明:与MUSCL格式相比,WENO格式对激波位置捕捉得更准确,具有更强的涡捕捉能力,同时还表明了WENO格式在很大程度上能够克服涡耗散问题。     

用守恒型差分方法计算底部分离流场

本文用守恒型显式格式及交替方向隐式迭代计算二维底部流场。守恒显式格式是从全守恒的Navier-Stokes方程组出发,在Allen—Cheng格式的基础上引进了“调整因子”。这对放大稳定性要求的步长,加速收敛均有益处。本文还用交替方向隐式迭代计算了同样的流场。结果表明只要边界条件逼近一致性较好,交替方向隐式迭代比显式格式收敛快,节约40％机时。     

塞锥型面简化与截短对塞式喷管性能的影响

用NND差分格式求解N－S方程，对截短直锥塞式喷管和用特征线法设计的截短型面锥塞式喷管的流场和性能进行了比较。成功地捕获了流场激波、膨胀波及反射压缩波，计算结果与实验数据吻合较好，对不同型面塞式喷管在不同高度下的推力性能和塞锥截短对发动机性能的影响。研究表明，相同长度的截短直锥发动机总推力比型面锥塞式喷管发动机低1％－1.5%；相对30％截短型面塞锥发动机，50％截短型面塞锥发动机的总推力可提高约2.5%。     

钝锥大攻角超声速分离流场的数值模拟

最近,张涵信等人在传统的Beam-Warming隐式、无迭代、空间推进技术的基础上,根据边界层方程的性质,设计了一种可用小步长推进求解抛物化NS(PNS)方程、而不会引起解的“漂移现象”发生的方法。这种方法对轴对称流动的计算是成功的。本文就是将这一思想推广应用于大攻角有周向分离的流场计算。求解的区域为具有薄亚声速层的有粘与无粘干扰的整个激波层内的流场。在对攻角α=0°和α=20°的球钝锥的计算中,关于壁面上的压力、热流率及流场的涡旋结构均得到了满意的结果。文中特别研究了钝锥大攻角绕流的流动分离图象。 为了增强块三对角矩阵的主对角优势,通常在差分方程的左端附加二阶增量项。本文以选取适当小的推进步长的方法来达到增强主对角优势的目的,不需再附加二阶增量项,从而提高了解的精度。     

预处理方法在化学非平衡流场数值模拟中的应用

将预处理方法发展应用于化学非平衡流场的数值模拟中。采用有限差分,LU-SGS隐式方法对二维可压化学非平衡控制方程进行了耦合求解,对化学源项和无粘项隐式处理,粘性项则采用显式。通过化学反应剪切层和激波点火的算例表明,所采用的数值方法能够有效求解化学非平衡流场,证明了本算法的可行性,为下一步的工程应用奠定了基础。     

数值模拟二维跨音速叶栅可压粘性流动

用有限体积法数值模拟了任意回转流面跨音速压气机叶栅中的粘性流动，四步龙格－库塔法用于N－S方程的时间推进。给出了一种抑制叶栅计算中“数值失速”的方法，并采用隐式残差光顺技术加速收敛。用所发展的方法计算了三种叶栅在宽广来流Ma数条件下的流动，计算结果与实验结果吻合良好，流场激波具有较高的分辨率。     

二维Euler方程的自适应网格矢通量算法

给出了二维轴对称欧拉方程的自适应网格隐式矢通量分裂差分格式和模拟结果,隐式矢通量分裂格式不需人工粘性项与人工耗散项,可以计算跨声速流场,也可以较准确地捕获激波,利用流场解的梯度信息对网格进行调整,可以提高激波的捕获精度,算例表明,该方法精度高稳定性好,不依赖于初始条件。     

三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。