Box法用于三维边界层计算的数值稳定性分析

本文对 Box法用于三维边界层计算的数值稳定性做了 Neumman分析,并借助于数值计算,证实了目前公认的一些稳定性问题和三维边界层计算中所发现的现象,得到了一些有参考价值的结论。      

边界层横流驻定扰动稳定性问题

采用直接对稳定性方程进行数值积分的方法,计算和研究三维可压（可带边界层控制）边界层横流驻定扰动（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）稳定性问题。导出积分初始边界处用于数值计算的矩阵表达式。通过改进的正则正交化并与误差判断相结合的方法,有效地控制正交化进程,克服了稳定性方程是刚性方程在积分求解中的困难。算例分析研究了跨音速后掠翼前部横流驻定扰动稳定性变化的关键因子和主要影响因素,结果是满意的     

可压缩剪切层与边界层流动相互作用的稳定性研究

为了探究可压缩剪切层与边界层组合流动稳定性规律,采用线性稳定性理论对这种组合流动的线性稳定性问题进行研究。平均流动模型取双曲正切函数描述的可压缩剪切层与可压缩相似边界层速度剖面的直接叠加。采用整体数值方法 (Global)求解组合流动线性稳定性方程,获得全部不稳定模态。结果表明,在这样的组合流动中,存在两个不稳定模态,一个与剪切层相关的不稳定模态,另一个是与边界层相关的不稳定模态。在此基础上,研究了剪切层与壁面之间的距离、扰动频率、雷诺数、马赫数、速度梯度、温度梯度对这种组合流动稳定性的影响。马赫数增大对不稳定模态起抑制作用,剪切层对边界层的不稳定模态的促进、抑制作用与马赫数、扰动频率有关,边界层对剪切层不稳定模态基本上起抑制作用。     

超声速边界层内小激波的数值模拟

本文通过有限差分计算求解了NS方程,对超声速二维平板边界层的非线性稳定性问题进行了模拟.流场的来流马赫数为4.5.平板从尖前缘开始,流场在前缘处产生一道前缘激波.数值计算模拟了边界层对成倍频关系的双频扰动波的吸收问题.通过计算发现,在一定频率下边界层内可出现小激波.计算给出了小激波的发展过程.     

后掠翼可压缩三维边界层稳定性计算

采用可压缩线化稳定性理论对后掠机翼的层流边界层稳定性进行了计算研究。对三维边界层中三维扰动波的可压缩稳定性方程组特征问题采用相关两步格式求解。与常用的初值法相比,具有不需预估特征值和快速收敛的特点。为得到渐近边界条件的准确表达式,导出了外边界上方程的解析解,这对精确的特征值计算和分析至关重要。为避免出现伪不稳定模态,选择了合适的稳定性方程组形式。最后,通过层流控制机翼和自然层流机翼的算例,研究了后掠翼上典型Tollmien-Schlichting(T-S)型扰动和横流(C-F)扰动稳定性问题,其结果与已有计算结果符合甚好。     

应用GAO-YONG湍流模式数值模拟三维激波/湍流边界层干扰

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟了三维激波/湍流边界层干扰算例之一——单鳍流动.攻角20°,来流马赫数2.93,雷诺数9.8×105.对流项和扩散项分别采用Roe格式和二阶中心差分格式计算.Runge-Kutta显示时间推进方法求解了半离散的控制方程.包括壁面压力分布,边界层内流动偏移角等在内的计算值与试验数据进行了比较.准确地预测出了三维激波/湍流边界层干扰流场的主要流动特性——λ波结构,主分离涡核,膨胀区,滑移线等.计算与Alvi等提出的单鳍流动的理论模型符合很好,得到了平板表面压力以及分离线、再附线等在单鳍流动中所独有的半圆锥特性.      

边界层稳定性的三维线性抛物化算法研究

通过把扰动波在流向上的变化分解成缓慢变化的形状函数部分和快速变化的波动部分,同时把扰动波在展向上的分布也分解成形状函数部分和波动部分,得到三维抛物化稳定性方程(3D PSE).然后在流向采用一阶向后差分,法向和展向采用4阶中心差分,发展出了迭代求解三维线性PSE的方法.通过求解二维扰动波和三维斜波在三维空间中的发展,发现二维波可以自动调制出展向扰动,且展向扰动的最大值点在边界层与外流的交接面附近.三维斜波的计算结果表明,网格密度应该与波矢方向上的波长相匹配,而不是与流向波长相匹配.     

不可压平板边界层转捩机理

基于扰动形式N-S方程,从空间模式的角度,采用Fourier伪谱及MPI(massage passing interface)并行方法,模拟了不可压平板边界层从层流到湍流的转捩过程.通过对计算统计数据的分析,比较了不同幅值入口扰动引起的转捩过程的同异.研究结果表明:当层流中扰动幅值逐渐增大后,非线性作用将修正平均流剖面,表现为不稳定区域逐渐扩大,很多高次谐波被激发.当平均流剖面被修正到一定程度时,不稳定区域变得很大,这使得更多的高次谐波被快速激发并迅速增长,即转捩过程开始.由于大量谐波快速增长导致扰动能量快速增长,同时,扰动能量的快速增长又进一步加速了平均流剖面的快速修正,即平均流剖面的不稳定特性发生了改变,这样的相互作用使得层流快速变为湍流,因此,平均流剖面不稳定特性的改变在转捩过程中起到了关键作用.      

恒热流斜板自然对流边界层的稳定性研究

对恒热流条件下的斜板自然对流边界层的稳定性进行了分析及数值模拟.研究发现在一定的倾角和Prandtl数范围内,三维波可存在两种不稳定模态,其临界频率分别接近于重力内波和二维T-S(Tol-mien-Schlichting)波的频率.更为特殊的是,在适当条件下该三维波模态可比二维T-S波更不稳定.这一看似违反Squire定理的结果是由于控制方程中的浮力项造成的.数值模拟初步验证了三维波的临界特性.由于稳定性总是同层流至湍流的转捩过程密切相关,计算结果可为高效换热翅片的设计提供理论依据.      

数值模拟二维喷管激波/湍流附面层干扰流动

采用可压缩性修正两方程湍流模型,数值模拟了3种不同波前马赫数的跨声速二维喷管内激波/湍流附面层干扰流动,对流场中时均参数和脉动参数的计算结果与实验值进行了比较。结果表明可压缩性修正的两方程湍流模型准确地模拟了正激波/湍流附面层干扰流动的时均参数和脉动参数,无分离和有分离的激波/湍流附面层干扰流动的基本规律。      

弯曲进气道三维边界层预测

本文研究了弯曲进气道内三维可压缩湍流边界层的预测方法。采用非正交曲线坐标系中三维边界层积分方程,并引入掺混系数微分方程,用滞后掺混法求解,数值方法为预估-校正法,用三次样条函数解决了离散数据的插值、求导的精度问题。所编程序可在微机上运行。实例计算清楚地揭示了弯曲进气道内强横向流动对边界层发展的影响,计算所得的进气道总压恢复系数与实验值的误差为1～2％。     

超声速非平行边界层的非线性稳定性研究(英文)

用非线性抛物化稳定性方程(NPSE),研究超声速非平行边界层的扰动波的非线性演化过程。发展了高精度的数值方法,对NPSE进行有效求解和稳定推进。计算得到了各谐波的振幅增长曲线和不同的扰动剖面函数,特别是展示了谐波之间的非线性作用的物理特征,包括流向涡、展向涡和Λ结构的形成和演化等,以进行转捩过程的机理研究和分析。NPSE的计算结果显示了这个新方法是研究超声速边界层非线性稳定性的有效方法。     

几种跨声速边界层积分方法的比较

本文研究了几种基于不同类典型速度型有代表性的层流和湍流边界层积分方法，通过对这些方法的理论基础的考察以及对计算结果和实验结果的对比，讨论了它们的特点，评价了它们的适用性。     

耦合Navier-Stokes方程的可压缩边界层数值求解

为了在Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合eN方法进行转捩判断,在RANS方程求解过程中耦合求解了可压缩层流边界层方程为判断转捩提供了精确、可靠的边界层信息.利用等熵关系由RANS方程求出的物面压力分布确定边界层外边界的速度分布,进一步确定出边界层外边界.边界层方程的求解使用Keller提出的二阶BOX方法.为了验证方法求解边界层方程的正确性,在低速流动状态下将计算结果和XFOIL的计算得到的边界层解进行了比较,二者吻合较好.     

组合抽吸对跨音速压气机稳定性影响分析

为研究组合抽吸对跨音速压气机稳定性的作用,以NAsARotor35为研究对象,应用数值模拟手段深入分析了不同抽吸方案对该压气机稳定性以及流场结构的影响效应,数值计算采用商业软件NUMECA结合S-A模型,求解定常NS方程组。研究结果表明：叶表和端壁组合抽吸不仅对压气机的压比和效率性能有较大的提升,同时对压气机内部的流动失稳机制有抑制作用,是一种可行的流动失稳控制策略;叶表抽吸缝主要是吸除叶片吸力面附面层内的低能高熵流体提高压气机的效率,端壁抽吸主要是吸除叶顶内低能高熵流体,改善叶顶复杂流动结构,进而扩大压气机稳定工作范围。     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析,给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析,计算结果与理论及实验吻合。     

机身边界层控制研究

对带壁面抽吸的三维可压缩机身边界层控制进行了计算研究。采用了非正交曲线坐标系边界层方程,通过修改矢量流函数关系式,将壁面法向速度转变成为控制方程的一个可调参数,从而消除了边界条件与方程未知参量之间的非线性耦合;所发展的横向分段推进数值技术,可用于计算横流速度在横向多次反号的复杂边界层流动;设计不同的壁面抽吸系数分布,以研究边界层控制对多种边界层特性的影响。结果表明:壁面抽吸对边界层的控制效果是显著的,合理的抽吸分布能有效地减小机身阻力。     

边界层转换阶段直接数值模拟的影响矩阵法

提出一种求解时间相关、三维不可压完全Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的影响矩阵法。考虑流动区域为上半空间的平极边界层流动,在水平方向,利用周期性条件,采用Ｆｏｕｒｉｅｒ离散,在半无穷方向,定义了一种特殊映像并利用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ多项式展开。由此将Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程转化为以水平波数（ｋ１,ｋ２）为参数的一组法向Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程组,同时可更有效地求解压力。本文讨论了连续问题的影响矩阵法与原问题的等价性。影响矩阵法的离散形式,以及影响矩阵法的算法实现等。最后给出了一维Ｈｅｌｍｈｏｌｔｙ问题的数值实验结果。