区域法数值模拟短突扩压器流场

在一般曲线坐标下对环形燃烧室突扩压器和其内外环通道流场进行了数值模拟。紊流特征有用工程上常用的κ－ε双方程模型来描述，使用壁面函数法处理曲线壁面边界，采用非交错网格系统和ＳＩＭＰＬＥ算法求解各守恒方程。为了计算方便，利用区域法对复杂的流道进行分块处理，计算所得的速度和压力分布较为合理，表明本方法是可行的。     

双锥流量计流出系数特性的数值模拟与试验研究

提出了一种新型的差压式流量计——双锥流量计,利用Fluent仿真软件与实流实验相结合的方法,探索雷诺数、双锥直径比β对双锥流量计流出系数的影响规律.针对50mm管径,共加工了6个不同β值的双锥流量计.经过模拟计算,得到其流出系数与雷诺数有关,但在一定范围内趋于一个定值.此外,不同β值对流出系数的影响很小,在一定误差允许条件下可近似认为双锥流量计流出系数与β无关.进一步用实流实验验证了模拟结果的正确性,得到模拟计算的预测误差小于3%.     

矩形喷管内外喷流流场的数值模拟

基于 Ｆｒａｖｅ 平均的 Ｎ Ｓ方程和 Ｂ／ Ｌ 湍流模型,采用了 Ｊａｍ ｅｓｏｎ 格式和 Ｍ Ｕ Ｓ Ｃ Ｌ 格式,对外流在亚声、超声和零 Ｍ ａｃｈ 数三种状态时矩形喷管的喷流流场进行了数值模拟,探讨了内外喷流及喷管内的流动特征,并与实验数据进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好,验证了计算所使用的 Ｎ Ａ Ｐ Ａ 软件的可靠性,从而为用计算流体力学的方法模拟具有两股来流的三维湍流流场提供了一种有效的手段。     

胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

胶囊机器人广泛应用于人体肠道的检查和治疗。根据永磁体法,设计制造了一种磁控光滑胶囊机器人。基于计算流体动力学（CFD）方法,模拟了胶囊机器人在充满黏液的管道内旋进（旋转和平移）时,其周围流体的流场（速度和涡量）;利用粒子图像测速（PIV）技术测量该流场;计算了胶囊机器人以不同转速旋进时,管道内流体流场以及胶囊机器人所受到的阻力、阻力矩和周围流体的平均湍流强度等。最后,还对胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小进行了实验测量。结果表明：1）随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人四周和下部区域流体速度和流体涡量都略微增大,而其周围流体的流线和涡量分布规律基本相似。2）随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人前进方向所受阻力矩和周围流体平均湍流强度均增大,而其前进方向所受阻力基本不变。3）实验测量到的胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小与数值计算结果基本相似。

     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

旋转直管流场的数值模拟

根据旋转坐标系下的 Favre平均 NS方程以及旋转条件下的流动特征 ,修改了 B/ L湍流模型 ,并提出了一种旋转条件下出口边界压力分布的给定方法 ,对已有的 NAPA通用湍流计算软件进行了改进和发展 ,并计算了旋转直管中的流动。通过与实验数据的比较 ,文中的计算结果与实验结果吻合较好 ,正确反映了流动特征和物理现象 ,验证了修改后的 NAPA软件的可靠性。     

Y形进气道流场数值研究

Y形进气道在两侧进气布局的单发轻型战斗机和教练机上应用较为普遍。由于流动的复杂．不易对其内部的流动进行实测．为此本文基于Favre平均的N-S方程和B／L代数湍流模型．采用了Jameson格式和矩阵人工粘性耗散,对某型亚声速飞机的Y形进气道流场进行了数值模拟。提出了一种解决网格块之间插值问题的处理方法．研究了进气道两侧管道气流的掺混作用及二次涡．得出了进气道内外流场的马赫数、压力和速度分布,以及进气道的性能随反压和攻角的变化曲线。研究结果可为进气道的设计提供一定的参考。     

三维高超声速底部喷流干扰流场数值模拟与试验研究

通过数值模拟和风洞试验两种手段对来流马赫数M∞=4、喷流压比Pj/P∞=156.8、不同迎角下的三维高超声速底部喷流干扰流场进行了研究.研究结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同,对气动力系数影响显著;在大喷流压比情况下,喷流干扰使导弹纵向气动力系数下降、压心前移.最后,对数值模拟与风洞试验在结果上的差异进行了分析.     

用于弹性旋翼流场模拟的网格变形方法研究

建立了一个基于改进"Ball-Vertex"的具有拓扑无关性的网格变形方法,用来精确模拟桨叶发生弹性变形后贴体网格的运动以及旋翼近场气动力环境,为更好地分析弹性变形对桨叶贴体网格的影响提供了一套解决方案.该网格变形方法从基本的弹簧模拟思路出发,用一网状弹簧系统来模拟桨叶贴体网格的变形和运动.在网格结点周围引入"Ball-Vertex"概念,通过添加相关的冗余约束,该方法保证网格结点在变形过程中不会越过与该点所对应的对角面,从而避免了畸形网格单元的产生,可有效地用于较大变形情况下的流场数值计算.使用所建立的方法,首先对绕二维翼型的结构网格和非结构网格进行了网格变形模拟,以表明方法的有效性;然后,将该方法应用于振荡翼型的流场数值求解,进一步验证了所建立的方法;最后,结合该网格变形方法和旋翼流场求解方法对弹性旋翼流场进行了数值计算.在此基础上,得出了一些有意义的结论.     

螺旋线刃型电解阴极流场的数值模拟与结构优化

为了降低数控电解铣削时阴极流场的波动和不均匀性,提高工件的电解铣削加工精度和表面质量,针对叶轮电解铣削中螺旋线刃阴极结构,建立其流场模型,采用标准K-ε模型对叶轮加工时铣削阴极流场进行了动态模拟,分析了不同的内部流道结构和加工工艺参数对电解液流场速度和压力分布的影响,并结合模拟结果对阴极结构进行了改进。最后以叶轮为加工对象,在数控复合电解铣削加工中心进行了实验。实验结果验证了仿真模拟的有效性和正确性,为铣削用电解阴极结构的设计和改进提供了依据。     

一体化高超声速飞行器气动-推进性能评估

吸气式高超声速飞行器的一个重要特点就是机体和推进系统的高度一体化设计.在这类高超声速飞行器的发展中,机体-推进系统内外流场相互干扰的评估以及飞行器气动-推进性能的研究是非常重要的.文中阐述了CFD和风洞试验结合评估一体化飞行器气动-推进性能的近似方法,涉及一体化飞行器进气道和发动机的三个工作状态:进气道关闭、进气道打开发动机不工作以及进气道打开发动机工作.针对进气道关闭的工作状态,大量气动数据可由试验获得.但是,受模型尺寸和设备的限制,试验模拟进气道打开发动机不工作特别是进气道打开发动机工作的飞行状态是非常困难的.因此,首先根据进气道关闭和进气道打开发动机不工作两种情况下风洞试验数据与CFD计算结果的对比得到计算误差,在此基础上,结合内外流数值模拟,预测不同进气道和发动机工作状态下一体化飞行器的气动-推进性能.     

弯曲微槽道内流场的PIV测量和数值模拟

利用micro-PIV和CFD数值模拟研究水力直径为220μm正方形截面弯曲微槽道中的流动特性.实验中利用micro-PIV测量了槽道中5个不同深度流场,雷诺数为Re=42,91和239.实验测量和数值模拟相吻合,弯曲的微槽道不同截面处存在由二次流诱发的Dean涡,并随Dean数的增加,涡结构更加复杂;Dean涡对截面内两种液体接触面会产生影响,所以可以通过利用Dean涡的发展加强微管道中的混合.     

利用CFD模拟和PIV实验方法研究新型伞形罩洗涤器流场

针对燃煤锅炉的烟尘和二氧化硫等有害气体的污染问题,研发出一种新型伞形罩洗涤器.利用CFD模拟和PIV实验方法对其气相流场进行研究.CFD模拟时,选择雷诺应力模型(RSM)和SIMPLE算法模拟连续相气流运动,包括模拟入口气速uin=10.6~15.5 m/s时的压降;再在uin=10.8~17.3 m/s时,用数字压力计测得新装置的压降;并在uin=12m/s时,用PIV实验验证了新型洗涤器的气相流场.结果表明洗涤器的压降随入口速度增大而增大;其中,压降模拟值在220~480Pa之间,而测试值在204~680Pa之间.流场的CFD模拟和PIV测试结果显示:气流绕过伞形罩时湍流剧烈,在其周围形成多个小旋涡,增加了接触面积,延长了停留时间,有利于分离净化.     

高压交变流动下热线风速仪标定方法研究

热线风速仪是重要的测速手段之一,但在高压交变流动条件下缺乏有效的标定方法.提出了一种通过测量气库内压力变化并按绝热热力学过程计算进出气库气体流速从而标定热线风速仪的方法.为了对该标定方案的误差进行分析,建立了该标定方案的数值模型,运用CFD软件FLUENT对该方案气库壁面分别设为绝热和等温边界条件时的热力过程进行了数值模拟,结果表明标定方案中采用绝热物理模型所引起的误差最大不超过2%.由于在热线探针两侧布置了一定量丝网作为均流元件,热线探针所测速度与管路截面平均速度误差不超过1.4%.该标定方法总误差不超过3.37%.     

直升机旋翼计算流体力学的研究进展

依据直升机旋翼计算流体力学(CFD)的发展,分别介绍了小扰动位势方程、全位势方程、Euler方程和Navier—Stokes方程在旋翼流场计算中的研究现状和发展趋势,着重从方程离散、数值算法、网格生成、计算时间和计算精度等方面分析了不同旋翼CFD方法的特点,指出了旋翼的尾迹在旋翼流场计算中的重要性,并针对位势方程和Euler／N—S方程分别讨论了求解的边界条件。最后,对旋翼CFD的发展提出了几点展望。     

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法,使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号,通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量,同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明,剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,剪应力测量的不确定度越小,因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入;电压测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,电压测量的不确定度越小,因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量;标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高,因此标定公式具有较好的可靠性。

     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术,在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析,并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明,基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度,结合仿真分析,可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。

     

亚声速二喉道流场不对称现象研究

为满足未来我国先进飞行器的发展需求,我国将考虑建设大型跨声速风洞,提高风洞试验模拟精细化水平。而第二喉道作为风洞 Ma 数控制的有效手段,被认为是提升跨声速风洞能力的关键技术之一。本文首先通过CFD 数值模拟发现了二喉道段流场在某些压比下存在不对称现象,然后,利用现有引导风洞,设计加工了 Ma=0.7的带可变中心体的二喉道段进行验证试验。试验结果显示,当前室总压达到某一值时,二喉道段流场会出现不对称现象,并前传影响试验段流场品质。最后利用 CFD 手段给出了一种无不对称现象的新型二喉道设计。     

针对旋翼流场模拟的自适应网格算法

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)予以删除;对于自适应疏化过程中产生的大量无用点,提出了标记-删除-移动(Mark,delete,move,MDM)算法予以快速地删除,减少了不必要的计算资源消耗。对CaradonnaTung旋翼在不同悬停状态下进行了模拟验证,对比了压力分布系数与桨尖涡位置。之后对HELISHAPE 7A旋翼在前飞情况下进行了模拟验证,计算值与实验值吻合。此外,求解器对桨尖涡的捕捉效果得到了明显的提高,表明本文方法具有良好的有效性与鲁棒性。     

计入桨叶运动的旋翼CFD网格设计技术

提出了一个考虑桨叶实际的挥舞和变距运动的旋翼CFD网格生成方法。该方法首先采用改进的几何法在桨叶表面生成初始网格,通过求解Poisson方程得出贴体正交网格,然后结合嵌套网格和动态网格的思想,给出了一种运动嵌套网格来计入桨叶的挥舞和变距运动．并针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,提出了一种新的“伪贡献单元搜寻法(PSDE)”。该搜寻方法不仅可以适用于在结构网格中搜索贡献单元,而且不作修改即可应用于非结构网格,还可克服“InverseMap”法在结构网格中需要单独处理的奇异线(面)问题。