任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

冲压发动机进气道/燃烧室/尾喷管耦合流场计算

采用耦合求解的方法进行了冲压发动机进气道/燃烧室/尾喷管流场一体化计算,进气道采用单一气体、变比热比模型,燃烧室和尾喷管采用多组分化学动力学模型,湍流模型为k-g湍流模型。进气道与燃烧室界面通过流量、静压等参数实现耦合。结果表明,通过合理设计参数的传递方式,可以快速实现进气道/燃烧室/尾喷管流场的耦合求解,流场分布合理。     

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

二维非常化学非平衡流动高精度数值模拟及其与实验的比较

本文成功地将二阶迎风ＴＶＤ数值格式运用到弱电离、化学非平衡斜激波反射流场的数值计算中，气体力学方程与组元质量守恒方程组全耦合求解是目前非平衡流场数值计算中的新方向。文中详细给出了气体力学方程和组元质量守恒方程组全耦合求解过程，最后给出了三种不同情况斜激波反射流场数值结果并进行了详细讨论，本文所得结果与文献［４］提供的实验结果和文献［１］提供的数值结果相符合。     

结合双向法则的松弛迭代粒子追踪测速法

在分析基于松弛迭代的粒子追踪测速法(relaxation method based particle tracking veloci metry,简称RMPTV)原理基础上指出其计算"孤粒子无匹配"的缺陷,并提出解决此问题的双向法则。对若干自定义流场图像对中第二帧图像实施点抹除和点添加来分别模拟"粒子无匹配"和噪音点,分别运用单向及包含双向法则的RM-PTV计算其粒子匹配,通过对匹配准确率η的分析发现:单向RM-PTV抗噪能力较强,但受"孤粒子无匹配"影响严重;而双向RM-PTV则能在保持单向算法的优点下准确地计算孤粒子无匹配问题。以空间率Pv=21.845的旋转流场为例:尽管噪音百分比μa的变化对准确率η无甚影响,但无匹配孤粒子百分比μd达到30%时,单向算法准确率降至80%左右;而采用双向算法,即使μa、μd值均为30%,η仍保持在95%。最后通过对标准自定义流场图像的粒子匹配计算再次验证了双向法则去除伪逻辑匹配的可靠性。     

基于预估校正和嵌套网格的虚拟飞行数值模拟

 针对导弹虚拟飞行数值模拟问题,发展了空气动力学/飞行力学数值计算方法和软件。控制方程为非定常雷诺时均Navier-Stoker(RANS)方程和刚体六自由度运动方程;流场求解器为有限体积法结构网格求解器,时间推进采用双时间步法,湍流模型为Spalart-Allmaras一方程模型;采用Adams预估校正法实现飞行力学方程与流场控制方程的耦合计算;使用嵌套网格方法模拟多体运动。首先模拟了美国国家航空航天局(NASA)窄条翼导弹模型纵向虚拟飞行,研究耦合方式和时间步长的影响。仿真结果表明,双时间步三阶Adams耦合方法,同等精度下可以显著增大时间步长,缩短仿真时间。最后,采用该方法模拟了导弹自由摇滚特性和纵向虚拟飞行,模拟结果与试验值吻合较好。     

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

时间模式下二维可压缩气固两相混合层流动研究

采用Euler-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流场进行了研究。气相流场采用具有空间三阶精度的WNND格式进行直接数值模拟,固相方程采用单边三点差分离散。在考虑流场对固粒作用的同时,也计及固粒对流场的反作用。在对流马赫数为0.5时,研究了颗粒相对密度、颗粒尺寸以及Stokes数等对粒子运动和流场结构的影响。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

基于深度神经网络的含运动边界非定常流场预测方法研究

针对飞行器设计过程中对流固耦合系统快速预测的需求,探索基于数据驱动的非定常流场建模策略,缩短流场演化求解耗时,从而加快流固耦合系统模拟速度。流固耦合系统中流场演化求解部分等价于含运动边界的非定常流场演化。本文提出了一种基于神经网络的流场预测模型,来学习并预测运动边界附近的非定常流场演化过程。此神经网络可以基于当前流场状态及边界运动信息预测出下一个时刻的流场状态。通过不同振动频率及振幅下的运动圆柱绕流问题,测试了本文提出的神经网络模型的预测精度及泛化能力。神经网络的预测结果和计算流体力学仿真结果中流场结构吻合度较高,且通过对预测的流场数据中边界上的压力积分得到的气动力也具有较高的精度。测试结果展示了该神经网络模型具有良好的预测性能,因此该方法可以用于快速、准确获得运动边界周围非定常流场状态。     

基于动理学模型的多尺度随机粒子方法

传统随机粒子方法的时空离散步长受分子碰撞尺度(分子平均自由程和平均碰撞时间)的限制,当空间和时间离散尺度远大于碰撞特征尺度时,其输运系数的数值误差显著增加,因此如直接利用这类方法对跨流域流动精确求解,其计算效率往往是极低的(如DSMC方法,Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法)。通过对随机粒子方法输运系数离散误差的分析可知,这主要是因为传统算法将模拟分子的运动和碰撞解耦计算引起的。针对这一问题,本文介绍了适合于跨流域流动模拟的多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法。通过分子运动求解中耦合碰撞作用,在连续流区域,改进的随机粒子方法在较大的时间步长下仍能够满足宏观流体力学方程的输运性质。理论和计算结果显示,多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法可以高效准确地模拟从稀薄流到连续流的跨流域气体流动。     

二维旋转湍流边界层内气固两相流动的数值模拟

本文用修正的ＤＯＲＯＤ－ＦＥＭ方法对不可压流体二维旋转湍流边界层进行了数值模拟，得到了与实验数据较符合的边界层形状因子和壁面摩擦系数的计算结果。采用单向耦合（Ｏｎｅ－ｗａｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）方法，计算了固粒在湍流边界层和无粘流中的运动轨迹，给出了壁面被固粒撞击后的冲蚀磨损分布，分析了近壁流场性态与壁面冲蚀磨损的关系。     

封闭旋转圆筒内粘性气体流动的渐近分析

本文用渐近分析方法研究了封闭旋转圆筒内粘性气体的流动,提出了一种简单的解析计算方法。整个流场分为六个区,给出了各区问题的提法。求解了Ekman层和中心区流场,引入驱动函数和扭转函数。求解Stewartson层流场时,又把问题分为三类:E~(1/3)层内部热循环、E~(1/3)层窄缝进料和E~(1/4)层温度扭变问题。较仔细地讨论了Stewartson层与拐角和中心区的匹配。本文算例与数值计算结果符合得较好。     

基于多重网格方法的跨声速颤振数值模拟研究

使用多重网格的方法对二维翼型和三维机翼的跨声速颤振进行了数值求解.流场控制方程为N-S方程,湍流模型采用SA模型网格.计算网格采用结构网格,空间离散采用中心格式,使用双时间法进行时间推进.流场与结构之间的数据通过径向基函数(RBF)插值方法进行交换.通过耦合求解流场控制方程和结构运动方程得到Isogai(case A)机翼模型和Agard445.6机翼的跨声速颤振边界.通过与使用单重网格时得到的结果相比较得出,多重网格方法能够节省计算时间,提高颤振分析计算效率.     

气流激励下叶片动力响应分析方法

利用在物理过程上的耦合代替数学方程上的耦合,完善了双向顺序耦合求解的理论,进一步给出了双向顺序耦合的数值求解方法,并描述了其在物理上对应的过渡过程.结合具体工程算例,分析得到某小型发动机二级静叶在气流激励下的流场分布形式和叶片动力响应的特点,指出了双向顺序耦合数值求解方法的优越性.      

舰载直升机-舰船耦合流场数值计算研究综述

舰载直升机舰面起降是海上舰载直升机最危险的作业之一，而舰船表面的复杂气流干扰是造成该问题的主要因素之一。本文从孤立舰船舰面流场主要特征分析出发，分别总结了航空母舰与非航空母舰类舰船的主要流动特征，以及舰载直升机-舰船耦合流场的主要流动特征。在此基础上，根据舰船表面流场计算采用的数值方法分类，从无黏流场到黏性流场计算、从定常数值计算到非定常数值计算，系统介绍了国内外的发展情况与主要研究工作。对舰载直升机-舰船耦合流场数值研究，根据采用的模型与耦合方法分类，从动量盘简化耦合模型到完整直升机模型、从单向耦合到双向耦合，介绍了国外的发展历程及主要相关工作。期望舰面流场以及机-舰耦合流场数值计算主要方法的探讨，能为后期机-舰耦合流场研究及机-舰适配性研究提供参考。     

燃烧室头部两相流场实验研究

本文采用 PDA对燃烧室头部两相流动特性进行了研究,实验研究的模型燃烧室包括旋流器、喷嘴和火焰筒壁,保证气流结构与真实发动机燃烧室相似。实验对回流区内两相流场进行了细致的测量,给出粒子与气体速度分布。      

固体火箭喷管两相粘性跨音速流场计算

本文进行了固体火箭喷管两相粘性湍流跨音速流场计算.粘性的气相控制方程用隐式近似因子分解法求解,粒子方程采用跟踪粒子轨迹的特征线法求解,粘性湍流选用代数模型,气相和凝相充分地偶合.CFL数可以取500左右,收敛速度快,使粘性两相跨音速喷管流场计算耗费的机时达到工程计算可以接受的程度.通过计算,获得了在粘性和粒子同时作用下的流场参数分布.这对固体火箭发动机流场需要同时考虑粒子和粘性作用的专题研究大有裨益.     

热化学非平衡流辐射流场工程计算方法研究

从耦合辐射的轴对称热化学非平衡 N-S方程出发,采用双温度、1 1组元反应气体模型,耦合修正的Nicolet单温度辐射模型,利用隐式 NND有限差分格式和时间预处理技术数值求解了 FIREII飞船热化学非平衡辐射流场,得到的辐射传热结果与有关实验结果和更细致的热化学非平衡辐射模型的结果进行了比较     

跨流域三维复杂绕流问题的气体运动论并行计算

通过研究求解描述跨流域三维绕流问题的Boltzmann模型方程气体运动论耦合迭代数值格式,分析气体运动论数值计算方法的内在并行性;从变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性三方面开展基于离散速度空间区域分解计算的研究,发展求解稀薄流到连续流跨流域三维复杂绕流问题的并行算法。通过对不同Knudsen数、不同马赫数、不同攻角三维球体及返回舱绕流的并行计算,计算结果与实验数据和理论分析吻合较好。研究表明,该并行算法负载平衡和并行可扩展性较好,对不同并行计算机系统具有很好适应性,显示直接求解分子速度分布函数的气体运动论计算方法有良好的并行计算特性。