基于拟压缩方法的叶片扩压器低速流场数值研究

摘要 发展了基于拟压缩方法的求解叶轮机械低马赫数流场的方法,研制了了时间推进方法对叶轮机械全流速范围流场的求解的计算程序,且对拟压缩因子的取值进行了讨论。通过对离心压缩机叶片扩压器的数值计算表明,本文发展的基于拟压缩方法能能够快速正确的预测叶轮机械内的低速流场;引入拟压缩方法是对时间推进方法的一个很好补充,使时间推进方法的应用范围得到了拓展。     

时间推进法求解叶轮机械内不可压流动

发展了一种用时间推进方法求解叶轮机械内部不可压流动的计算程序。在这个程序中, 使用分布体力方法简化湍流粘性的求解过程, 根据Ｂａｌｄｗ ｉｎ－Ｌｏａｍ ｘ 两层代数湍流模型确定粘性应力的大小。程序中还使用局部时间步长和多重网格数值技术加速收敛。火箭燃料主泵前诱导轮内部流场的实例计算表明, 采用这一计算程序能够正确预测叶轮机械内部不可压流场。     

叶轮机械三维不可压Euler方程的直接解法

本文用近似因式分解交替方向隐式格式直接求解叶轮机械中原参数三维不可压Euler方程组。在连续方程中引入“拟压缩性”之后,将原来类型不确定的控制方程变成双曲型方程,给定初边值之后用时间推进法求得稳定解,对一个单级压气机转子内部流场进行了计算,结果与实验值比较符合。     

离心叶轮出口三维流场研究

文发展了一种通过求解不可压缩、定常、时均 N- S方程、连续性方程和 k- ε湍流模型方程分析离心叶轮出口三维流场的方法。该方法的差分计算网格通过代数变换关系生成 ,可方便地应用于离心叶轮设计分析。为检验本文分析方法的有效性 ,对一个三元闭式离心压缩机叶轮出口流场进行了实验测量。计算与实验比较表明 ,本文方法预示出的平均流场与实验数据符合良好     

微型旋翼的不可压流动数值模拟

通过求解拟压缩性修正后的Euler方程成功地模拟了悬停时微型直升机旋翼的绕流。由于拟压缩项的加入,使不可压Euler方程组的类型发生了变化,相当于使方程组变成了双曲型,因此,求解可压缩流场的时间推进解法用于本文的不可压缩流场求解。计算中,网格采用O-H拓扑形式的结构网格,空间离散采用中心有限体积法,时间推进为五步Runge-Kutta方法。采用了当地时间步长、压强阻尼及隐式残值平均方法来加速收敛。应用此方法对低速条件下旋翼悬停绕流进行了数值模拟,计算结果与实验数据吻合得较好,经气动分析,证明拟压缩性方法运用于微型直升机旋翼是完全可行的。     

两种多重网格法求解径流叶轮机械可压流动

为了加快数值求解叶轮机械内部流场的收敛速度,并改善计算结果,在数值求解径流叶轮机械可压流动的计算中,采用了由微元、二重和三重网格逐级转入和同时转入的两种多重网格法。对德国宇航局Ｋｒａｉｎ Ｈ设计的离心压气机内部流场的数值计算表明,两种多重网格法的计算结果差别不大,尽管在收敛速度方面存在差异,但均与测量数据吻合比较好。     

离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应分析

为研究离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应特性,根据推导出的相对坐标系下HLLC通量算式,自行开发了基于多块结构化网格的叶片机流场分析程序。首先对跨声Krain叶轮和亚声径向叶轮展开算例考核,程序计算的性能曲线和叶表压力数据与试验和商业软件的结果吻合较好,且具有较商业软件更快的计算速度。之后以径向叶轮为对象,数值求解其内流场对进口压力脉冲的响应,对结果的分析表明:脉冲越尖,上下游流场变化越不同步,导致出口流量和气动力矩峰值时刻的延迟,流场压力的时空分布找不到时间对称轴。叶片载荷的空间分布特征不因脉冲宽窄和时间推进而改变,脉冲越宽,流场受扰变化时间越长,载荷峰值就越偏离稳态值。流场密度的变化值在不同时刻的空间分布是近似的。      

跨音速单转子压气机三维湍流流场的数值计算

用有限体积表示的三维雷诺平均N-S方程显式格式的时间推进法, 对一个单转子压气机的三维湍流流场进行了计算。方法中应用了Baldwin-Lomax湍流模型。这个单转子压气机是第39届国际燃气轮机会议作为考核三维流场数值方法的盲题。计算结果与实验实测的结果进行了比较, 证明本文提出的方法可以用来验证叶轮机械气动设计。      

新的多重网格法求解离心压气机内部流场

受英国剑桥大学 Denton教授对叶轮机械数值计算的启发, 本文提出了一种新的多重网格法, 并将之与显式时间推进法、有限体积差分格式、粘性体积力法配合使用来求解离心压气机内部流场。数值计算表明, 作者多重网格法的计算结果与试验结果吻合很好, 同时该多重网格法的收敛速度比不用多重网格法加快了将近两倍, 也比 Denton多重网格法的收敛速度加快了将近 1倍。      

叶轮机气弹耦合方程求解的时间推进方法评估

为了提高叶轮机颤振预测时的计算效率,同时兼顾求解的稳定性,有必要选取最适合的时间推进方法。基于降阶结构动力学方程的双向流固耦合方法常用于压气机气弹性能分析,针对气动弹性控制方程中结构动力学方程考查了多种时间推进方法对计算结果的影响。通过单自由度弹簧系统的数值求解探讨了不同时间推进方法的特点;选取实际压气机算例NASA Rotor 67进行颤振流固耦合分析,进行大量数值试验找到了各时间推进方法需要的最大时间步长,以此为依据对比出不同时间推进方法的计算效率。结果表明：采用单自由度弹簧系统和压气机颤振耦合求解得出的结论基本一致,说明时间推进方法的性能更多地与方法本身的数学性质有关,但是流固耦合求解时流场和结构的信息交互会带来一定影响。以实际颤振算例叶片瞬态响应振幅的对数衰减率作为衡量精度的标准,经典龙格-库塔方法是颤振耦合计算达到相同精度耗时最少的方法,其次是4阶隐式Adams方法和Newmark方法。     

基于阻力气动特性计算的飞艇艇身外形研究

采用SIMPLE算法、S-A湍流模型求解了三维不可压雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕飞艇的低速不可压粘性流动,计算了不同艇身外形的阻力特性.本文方法计算结果与实验结果或其他文献的计算结果符合良好,可以用于飞艇的气动特性计算.通过对6个不同外形的相同体积飞艇阻力特性计算,得到了最佳艇身外形,表明本文方法可以用于艇身外形的选型设计.     

应用特征线法求解航空发动机瞬态空气系统

用特征线法求解瞬态航空发动机空气系统的连续方程和动量方程,单独迭代求解能量方程.计算了空气系统内流体的压力、质量流量、温度随时间的变化规律.结果表明内部节点的压力、质量流量以相近的趋势随进口压力变化,但有相应的延迟,延迟时间约为0.01s,温度随边界温度变化而变化.将准静态结果与软件Flowmaster的模拟结果对比,吻合很好,压力最大相对误差为0.051%.      

基于粘性伴随方法的涡轮叶片二次流损失优化设计

在航空涡轮叶片设计中,减少流动损失对改善涡轮叶片性能具有十分重要的意义。本文介绍了一种连续伴随方法在涡轮叶片优化设计中的应用,通过对某低展弦比涡轮叶片的根壁外形进行优化来减少二次流损失。首先通过改变叶高方向的安装角分布使得气流出口偏转角逼近目标分布,以此验证粘性伴随方法的精确性和有效性。其次,在优化二次流损失时,设计目标选取为叶片通道出口的熵增,同时满足出口流动偏转角约束。最后,分析讨论了叶片根壁外形变化对减小二次流损失及二次动能的影响。结果表明：该优化设计能有效地减小二次动能,从而提高叶片的效率。     

旋成体轴对称跨声速全位势流的高效差分算法

本文用守恒型全位势方程,贴体坐标网格,对旋成体轴对称跨声速绕流的差分数值计算方法进行了研究;根据最佳收敛准则,提出了轴对称情形的AF2迭代算法,并将此算法应用于半球头柱体、弹体等各种外形的旋成体。与一般方法仅适用于亚声速自由流不同,本计算可从亚声速、跨声速自由流一直到低超声速自由流。计算结果表明,本文方法收敛快,与实验及其它方法的结果符合较好。     

可以恢复Navier-Stokes方程的3阶格子Boltzmann作用力模型

为了给出能够恢复适用于低黏性流动的Navier-Stokes方程的3阶格子Boltzmann作用力模型,修正了Shan等人给出的3阶格子Boltzmann作用力模型,并重新定义了受作用力影响的流体速度和总能。使用修正后的Shan模型,通过Chapman-Enskog展开,可以将lattice Bhatnagar-Gross-Krook(LBGK)方程恢复到Navier-Stokes方程（含能量方程）, 且没有产生任何误差项。      

用有限解析法解N—S方程

本文介绍有限解析法的一种新构想,并将本方法用于求解不可压缩粘性流体流动的N-S方程,采用贴体坐标,雷诺数达1000,计算结果表明本方法是有效的。正确的。     

弹头外形不同尺度模型对二维射流流场的影响

超声速射流装置能很好地模拟榴弹引信发电机飞行时大气环境的工况，并成为地面考核和验收必不可少的设备。从二维轴对称N-S方程出发，利用二阶精度有限体积法和S-A湍流模型，对超声速射流装置的自由射流流场以及不同模型尺寸对超声速流场结构的影响进行了模拟计算。给出了激波与射流边界之间复杂干扰流场结构图，结果证明不同模型的尺寸对超声速射流流场有较大的影响。     

非定常低雷诺数流数值模拟方法研究

低雷诺数翼型流动的一个重要特征是分离泡的产生,并且分离泡通常是非定常的。基于有限体积法,N-S方程和S-A模型的控制方程非耦合求解,时间均采用牛顿型LU-SGS方法推进,无粘项和粘性项用中心差分方法离散计算,在计算非定常流场时,采用伪时间子迭代方法,湍流模型计算时采用在固定点转捩,研究了二维翼型低雷诺数流粘性流动的数值模拟方法,并利用所开发的非定常可压缩粘性流计算方法,数值模拟了在低雷诺数下两种翼型的非定常流动。计算结果表明：气动力系数及分离泡呈规则的周期性变化,证明方法是成功的、可行的。     

不稳定飞机气动参数辨识的一种实用方法

地是飞行器气动参数辨识最广泛采用的一种方法。但对于气动高度不稳定的飞机，辨识算法往往因状态方程组和灵敏度方程组积分发散而无法进行。为克服这一数值困难，将方程解耦技术引入输出误差法，发展了高度不稳定飞机气动参数辨识的一种实用方法－－基于方程解耦的误差法。并对某鸭式布局飞机的纵向劝仿真数据进行了辨识仿真计算，计算结果证实了所述方法的有效性。