非结构网格高超声速绕流数值模拟及涵道构型减阻特性分析

在非结构网格上对二维高超声速化学非平衡粘性绕流进行了数值模拟，并应用此方法对涵道构型高超声速减阻特性进行了数值分析。空间离散采用VanLeer逆风通量分裂格式，时间推进采用显式的Runge—Kutta格式。化学非平衡动力学模型为五组元五反应模型，对化学反应源项进行了点隐式格式处理，温度场的计算采用牛顿迭代法。分别对二维类弹头体涵道构型、二维半圆柱模型的高超声速绕流流场进行了数值模拟，得到了数值结果，并与完全气体绕流计算结果进行了对比分析。结果表明本文方法可以应用于高超声速绕流计算，并且涵道构型具有高超声速减阻特性。     

基于IPO的进气道扩压器电磁散射计算方法

进气道RCS目标特性在整个飞机中占有较大比例,但作为电大尺寸腔体,其RCS特性评估与外机身相比有其固有困难。本文研究了适合于任意腔体RCS评估的迭代物理光学算法,该方法基于磁场积分方程属于高频算法范畴,可以较精确地计算出进气道金属表面电流矢量分布并给出令人满意的RCS结果。通过软件开发实现了任意腔体RCS特性评估,并用标准算例考核了程序准确性。应用该软件对某型心线一定的金属进气道S弯扩压器开展计算研究,获得了不同宽高比扩压器在入射波长为0.03 m下的电磁散射特性变化规律。     

带粘性的超音速轴对称进气道流场计算

本文介绍了一种带粘性的超音速轴对称进气道流场的计算方法。使用这种方法,附面层和无粘流场用分开的程序交替地计算,几经迭代,直到前后二次无粘流解的压力分布一致为止。作为验证,本文计算了某型飞机1:7进气道模型带粘性的超音速流场,并与风洞试验结果作了比较。结果表明,带粘性的流场计算比无粘流场计算,可以更准确地预报实际的流场。     

圆转方非轴对称喷管无粘流动的多层网格法求解

本文利用多层网格法求解三维无粘亚音和跨音速圆转方非轴对称喷管的流动,基本格式是把Ni[1]的二维有限体积积分格式推广到三维流场。边界条件采用文[2]中的“预测一修正”处理方法。为了进一步提高格式稳定性,在计算流动变量的一阶时间变化量时,采用单元体积平均法而不是文[1]中的算术平均法。引入当地时间步及多层网格方法,以加快格式的收敛速度。文中还对多层网格构造形式及其收敛效果作了讨论。通过对两种喷管模型流动的计算和与试验数据的对比,验证了该算法的精度。     

高超声速化学非平衡绕流分布式并行算法

讨论了非结构网格高超声速化学非平衡绕流流场的分布式并行数值模拟方法。控制方程采用带化学反应源项的N-S方程,数值离散格式采用Jameson有限体积法。化学反应模型为五组元五反应模型,没有考虑电离效应,对化学反应源项进行了点隐式处理,温度场的计算采用牛顿迭代法。通过调用METIS库函数将整体计算区域进行分裂,使用PVM并行机制在PCs-Cluster机群上对二维钝头体高超声速化学非平衡绕流进行了分布式并行计算,得到了结果,并对算法的加速特性进行了对比分析。     

旋翼跨音速非定常黏性绕流的高效CFD模拟方法

为提高旋翼跨音速黏性绕流CFD模拟的效率,建立了一套基于隐式LU-SGS算法和OpenMP并行策略的旋翼非定常流场高效数值求解方法。首先,基于二维剖面翼型的Poisson方程求解和网格插值、翻折方法生成绕桨叶的O-C-O型贴体正交网格,并采用高效的"扰动衍射"(Disturbance diffraction method,DDM)挖洞方法、并行化″Inverse map″(IM)的贡献单元搜索方法,构建了旋翼运动嵌套网格系统。在此基础上,以耦合S-A湍流模型的非定常RANS方程为主控方程,对流通量采用高精度的Roe-MUSCL格式进行离散,时间推进采用隐式LU-SGS双时间方法,同时采用OpenMP并行策略加速旋翼流场求解。最后,运用所建立的方法分别对悬停ONERA 7A旋翼、前飞Caradonna-Tung(C-T)旋翼无升力状态及SA349/2旋翼有升力状态的气动特性及涡尾迹特征进行了模拟,通过与试验值对比验证了文中方法在旋翼非定常流场CFD模拟中的有效性和高效性。     

基于WENO-分段线性格式的旋翼流场数值模拟

为了降低二阶JST(Jameson-schmidt-turkel)格式导致的数值耗散,发展了一套适合于格心格式的基于加权本质无振荡(Weighted essentially non-oscillatory,WENO)-分段线性格式的旋翼流场数值模拟方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕旋翼的网格系统,主控方程选择Navier-Stokes(N-S)方程。为了更加有效地对桨尖涡等流动细节进行捕捉,在笛卡尔背景网格上采用七阶Roe-WENO格式计算对流通量;在桨叶贴体非结构网格上采用二阶精度的Roe-分段线性格式计算对流通量。时间离散采用了高效的双时间隐式LU-SGS(Lower upper symmetric Gauss-Seidel)方法进行时间推进。最后,应用上述方法对悬停状态的C-T(Caradonna-tung)旋翼和Helishape 7A旋翼进行了数值模拟,将数值计算结果与实验数据进行了对比,计算值与实验值吻合较好;并将桨尖涡模拟效果与二阶JST格式的模拟效果进行了对比。对比结果表明:本文方法能有效对旋翼流场进行计算,且在相同计算条件下,WENO-分段线性格式能够更有效地捕捉旋翼涡流场的流动特性,表明在计算旋翼涡流场时WENO-分段线性格式相比传统二阶JST格式具有更低的数值耗散。     

Maxwell方程的高阶间断有限元数值解法

采用高精度方法求解时域Maxwell方程,方程的空间离散采用基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)领域的高阶间断有限元格式,非定常时间迭代采用四步龙格-库塔格式。为了提高计算效率,本文采用了Quadrature-free implementation和网格分区并行技术。数值结果表明,采用高阶格式的情况下,采用稀疏网格便可以得到高精度数值解。另外由于本文的方法基于非结构网格,因此非常适合计算复杂外形的情况。     

后掠机翼欧拉方程数值模拟

本文对后掠机翼用保角转绘加剪切变换生成C-H型网格,并在这类网格拓扑上,用Jameson的三维欧拉方程有限体积法,四步Runge-Kutta时间推进格式,研制出可供分析三维后掠机翼亚、跨、超声速绕流的计算程序。本方法的特色是改进了机翼表面网格点的分布,使机翼后缘与网格线一致。在数值计算中,通过附面层位移厚度计算,引入了附面层粘性修正,改善了计算结果。     

三维非结构混合网格高超声速流场并行计算

在非结构混合网格上对三维高超声速化学非平衡粘性绕流进行了基于PC-Cluster的分布式并行数值模拟.本采用区域分裂思想,研究了三维非结构混合网格区域自动分解技术,并以此为基础对高超声速化学非平衡绕流进行了并行数值计算.控制方程为多组分N-S方程,空间离散采用有限体积格心格式,时间推进为显式Runge-Kutta格式.化学非平衡动力学模型为七组元带电离反应模型,对化学反应源项进行了点隐式处理,温度场的计算采用牛顿迭代法.在PC-Cluster上对三维双椭球模型的高超声速绕流流场进行了基于区域分解技术的并行数值模拟,所得数值结果与参考献中的结果作了对比验证。     

超声速进气道与弹体一体化外形研究

通过数值求解N S方程和风洞测力试验,研究了超声速进气道的布局、剖面形状及几何参数对全弹气动力和进气道内流的影响。结果表明:细长旋成体弹身背风面和侧边不宜安放进气道;矩形进气道能够产生涡升力,升阻比明显高于半圆形进气道,而且内部流动接近二维流动,流场畸变及流动损失情况均比半圆形进气道要好;矩形进气道横截面积增加,对升力系数影响不大,但阻力系数增加明显;其高宽比增加,升力系数增大,阻力系数减小。     

高超声速侧压式模型进气道不起动特性分析

对某典型高超声速侧压式进气道三维流场进行了数值分析，就壁面压力分布、波系结构和近壁流谱图与实验结果进行了比较，计算反映了流动的基本特征。分析了在不同来流马赫数下的流动特征，随着来流马赫数的减小，激波角增大，压缩波在通道内的反射次数增加，而强度逐渐减弱，总压恢复系数逐渐增大。当马赫数减小到一定数值时，在等直隔离段入口出现喉道截面，进一步减小来流马赫数，流量阻塞，引起压力升高，波系向进口方向移动，波后出现亚声速流场，进气道不起动。同时还发现当不起动现象发生时，由于波后分离包的存在，在进气道的进口前形成向后倾斜的激波而不是正激波。本文还提出了一种确定不起动马赫数的方法。     

非正交曲线坐标湍流族流的数值模拟

对锥形燃烧室的冷态流场进行了数值模拟，采用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ的非正交贴你坐标系统，用坐标变换的方法处理锥形燃烧室曲线壁面边界，用ＳＩＭＰＬＥ算法求解连续方程和Ｎ－Ｓ方程。亲流模型采用工程上常用的ｋ－ε模型。还运用贴体坐标系统数值研究了不同旋流数和不同进口紊流动能对湍流旋流流动的影响，并与实验结果相比较获得较满意的结果，对新型燃烧室的设计提供了理论依据。     

带中心支板侧压进气道流场特性研究

应用表面油流和压力测量实验技术,辅助计算模拟手段,考察了两种不同形式的中心支板对侧压式进气道流场特性的影响.结果表明:进气道内部由于侧壁斜激波和支板诱发的斜激波的汇合引起了侧壁和顶板边界层的大尺度分离现象,使进气道性能受到了极大影响.后掠支板后移避免了支板和侧壁诱导斜激波的汇合,分离现象相对较弱,有利于进气道性能的提高;支板前掠可以提高流量捕获,但导致边界层分离加剧,对减少总压损失不利.     

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道(Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI)的一体化设计方法,对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析,针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致,设计状态下的计算结果表明,前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明,改型一体化前体进气道在马赫数5~7条件下顺利启动,流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。     

马赫数连续可变跨声速湿蒸汽风洞的研制

用于跨声速气动测量的探针须从亚声速到超声速范围进行标定。变质量槽式喷管通过扩张段壁面上槽缝流出部分气流的自适应特性可在不同背压下得到不同出口马赫数,从而使标定气动探针的风洞实现马赫数从0到超声速的连续变化。为了研究采用湿蒸汽为工质的变质量槽式喷管的性能及优化其结构,采用三维犖-犛方程以及可实现犽-ε湍流模型对其进行了详细的数值仿真。结果表明收缩段型线、扩张段长度及壁槽尺寸等对喷管流场特性有重要影响,喷管进出口压比在一定范围内,槽式喷管有最优的收缩段型线、扩张段长度和开槽尺寸。根据数值仿真结果研制了马赫数从0到1.6连续可变的跨声速湿蒸汽风洞,对此风洞性能进行验证,表明该风洞在马赫数从零到超声速范围内可获得均匀、稳定的出口气流,满足跨声速湿蒸汽气动探针的标定要求。     

收敛形进气道数值研究的验证

介绍一种新型的、具有最小喉道面积的三维高超声速进气道 (称之为收敛形进气道 )的数值和实验研究结果。表明使用这种形式的进气道 ,在整个飞行速度范围内可以降低阻力和高超声速发动机表面的热防护要求 ,通过降低外压缩表面的倾斜度和减少进气道及燃烧室壁的面积就可以做到这一点。在采用低维次流动的气体动力设计方法的基础上设计成这种形式的进气道。计算是在无粘气体模型构架内用有限体积法进行的。同时用边界层方程计算出计及粘性的气流特性和进气道特性。数值算法是通过收敛形进气道的有限宽楔形外压缩表面的计算和实验数据来验证的。进行实验研究的马赫数M=2～ 1 0 7,基于模型进气道高度的雷诺数Re=( 1～ 5) × 1 0 6。数值计算与实验结果一致性很好。这些结果也和通常的二维进气道的数据作了比较。     

近轴对称内收缩流场中的激波干扰

针对高超声速三维内转式进气道中的复杂曲面激波干扰问题,提炼出不同来流迎角下的内收缩直锥流场,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,高效揭示小幅偏离轴对称状态时,内收缩直锥流场中的激波汇聚效应及干扰机理。结果表明:在轴对称情况下,即使内收缩直锥的前缘压缩角很小,由于汇聚效应,激波逐渐增强,在轴线上必然发生马赫反射并形成马赫盘,继而终止了激波的进一步汇聚增强;而在来流有迎角情况下,流场小幅度偏离轴对称后,表现出复杂的三维特征;沿流向迎风侧激波的汇聚增强比背风侧更快,在对称面上迎风侧和背风侧激波干扰的位置偏离轴线,并且可以发生规则反射;在对称面发生规则反射的情况下,激波反射后局部能够达到的压力比发生马赫反射的情况下马赫盘后的压力更高;随着内收缩直锥前缘压缩角的增大,对称面上发生规则反射时的临界迎角也呈现增大趋势。     

埋入式进气道设计

针对导弹用进气道的结构特点，提出了一种大偏距、短扩压的埋入式进气道设计方法，该方法通过变更进气道的中心线，面积规律、中心线的倾斜角及双组线喉道的设计参数，并采用进气道唇口光顺技术成功地实现了埋入式进气道设计的CAD化，该CAD技术与CFD技术的结合能大幅度地缩短埋入式进气道道设计周期，降低研制成本，实验结果表明，由该文提出的方法设计的埋入式进气道不做任何型面修改即可达到较好的气动性能。