边界层分离数值解

用N-S方程直接求解分离流的工作近几年已有不少。但这种计算比较费机时,需要存储最也大。在实际应用中,边界层理论仍然是研究分离流的一种好的近似方法。本文对二维、定常、不可压层流的分离流动进行了数值分析。主要内容有:(1)从典型的以流函数表示的边界层方程出发,对分离流进行数值计算。Keller和Cebeci曾用此方程求解过附体流动的反问题。在具有相似性解的条件下,这个方程简化为著名的Falkner-Skan方程,在初始剖面,这个方程简化为Blasius方程。(2)给     

抛物化Navier-Stokes方程(PNS)和高氏PNS理论及其应用的评述（英文）

抛物化NS方程得到广泛应用,已经成为工业标准气动计算的基础。现有的八种抛物化NS方程有不同的名称,方程中粘性项的形式略有不同,其中的PNS和薄层(TL)NS方程应用最多。但是这些方程都具有类似的数学性质,例如,当流向方向上马赫数大于1时,他们都是抛物型方程,可以采用空间推进算法(SMA)进行求解。与采用时间推进算法求解的NS方程或雷诺平均(RA)NS方程相比,PNS-SMA计算降低了空间的维数,节省了大量的存储空间和CPU计算时间。PNS-SMA算法也获得了巨大的进展。但是,早期PNS研究在理论上是相当模糊的,高智在1990年提出的粘性/无粘干扰剪切流理论(ISF)弥补了这一不足。ISF理论概括了PNS方程所能描述的基本流动,提出了其流动的运动规律及数学定义式,所导出的ISF方程组也属于PNS方程的一种。为了不增加新的名称,我们将ISF方程组也称为高氏PNS理论和方程组。这一理论在NS方程和RANS方程的计算中均有重要的应用。例如,计算最优坐标系的选择以减少伪扩散,网格尺度选择及局部网格加密设计以捕捉高超声速流动中物体表面热流等的急剧变化,壁面压力边界条件的选择以及由高PNS导出的壁面判据来进行NS和RANS近壁数值解可信度评估。本文评述了一些初步的应用,进一步的应用和综合PNS-SMA,RANS-SMA以及PSE-SMA计算值得深入研究,这里PSE指抛物化稳定性方程。     

扩压器-水泵内非稳定流动研究

水泵内部流动实质上是复杂的三维非稳定流动 ,它对水泵性能及结构振动有重要影响。本文介绍了一种求解这种复杂内流动的数值方法。三维雷诺数平均的纳维斯托克斯方程 ( 3-DReynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)以及标准 k-ε的方程用于描述水泵内非定常紊流流场。系统特性方程与水泵的 CFD模型相结合以考虑流体在管道中的加速 ;采用任意滑移网格界面模拟叶轮和静止部件之间的相互干涉 ;将整个叶轮作为分析对象 ,以考虑失速情况下流动的周向非对称。这些技术的结合包括了水泵内非稳定流动的物理实质。一台实验数据比较齐全的离心式 -扩压器水泵被用于验证所提出的数值方法     

瞬时起动圆柱的初期流动

 本文将ADI方法和Poisson方程直接法结合起来求解涡量-流函数形式的N-S方程,研究瞬时起动圆柱的初期流动(Re=3000,5000,9500)。成功地算出实验观察到的α流动结构、β流动结构,以及这些结构在流动发展过程中交替出现的情况。本文方法效率高,计算结果与实验结果及他人的数值计算结果相符较好。可期望用该方法计算其它复杂流动。     

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

AUSM+方法在黏性内流模拟中的应用

简要阐述了三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解程序中使用的对流迎风分裂格式改进形式(AUSM+)以及Spalart-Allmaras(S-A)一方程湍流模型,然后对Sajben收缩扩散通道内跨声速流动和高速透平静叶排内部流动进行了数值模拟,并将数值结果与实验结果进行了比较,结果表明自主开发的三维R...     

抛物化Navier-Stokes方程在求解高超声速流动稳定性分析 的基本流中的应用

通过在边界层内部使用边界层上缘的流向压力梯度代替该处的流向压力梯度,对传统抛物化Navier-Stokes(PNS)方程求解中的流向压力梯度的处理方法进行改进,从而使它可以求解用于稳定性分析的高超声速流动的基本流,并分别计算了平板、零攻角钝锥和小攻角钝锥三种典型算例.对于流向没有分离,且横向流动不强的流动,使用PNS方程计算高超声速流动稳定性分析用的基本流是可靠的.特别是改进后的方法求得的基本流的稳定性分析结果与直接求解Navier-Stokes(N-S)方程的结果非常吻合,但计算的时间消耗和空间占用都减少了一个数量级.     

电弧喷射推力器流动区域电磁场数值解法

为了有效地进行电弧喷射推力器流动区域全场(流场、电场、磁场和化学反应)耦合数值模拟并揭示其电磁场特征，建立了适当的电磁场模型，对电磁场控制方程的数值解法进行了详细研究。模型基于推力器稳态工作特征，控制方程由麦克斯韦方程组简化得到，采用有限控制容积积分方法离散椭圆型控制方程，采用9种不同的迭代方法求解离散方程。给出了不同迭代方法的收敛速度、数值稳定性和最终精度。研究表明，Gauss—Seidel逐线超松弛迭代法是推力器流动区域电磁场离散方程的一种快速有效的数值解法。     

模压过程中纤维增强复合材料的流动性

在用模压法加工纤维增强塑料这类复合材料时,由于材料的非均匀性,在流动过程中会因为纤维有方向性而引起一些问题。为了能用改善模具设计和成形条件来克服这些制造过程中出现的问题,有必要对非定常成形过程中复合材料的流动特性进行研究。本文总结了在同志社(Doshisha)大学中做过的复合材料流动特性研究,并且采用有限元方法将其用到特定的模具结构中去。对于纤维增强复合材料的流动,导出了均质正交伪塑性方程,并将其用作流动分析的支配方程。     

复杂区域内粘性流动的数值计算

本文应用原始变量法(SIMPLEC)计算了复杂区域内的不可压和可压缩流动问题。计算时,仍使用交错网格,但在求解动量方程时采用协变分量做为原始变量,有效地消除了在任意非正交坐标系下压力和笛卡尔速度分量不耦合而产生的压力波动。在压力修正方程中考虑了密度的影响并构造出一种密度的迎风格式,保证了计算的稳定与收敛,使之预示马赫数变化范围较大的流动成为可能。对由NACA65(12A10)10构成的平面叶栅、由NGTE10C4/30C50构成的平面叶栅的不可压缩流动和平面超声速缩放喷管进行了计算。结果表明,本方法有较好的收敛性和准确性,能够适用于从亚音速到超音速的流动场合,有一定实用价值。      

低速叶型气动反问题设计方法

 低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian矩阵和流动方程的系数矩阵相似,因而在低流动马赫数下,求解共轭方程存在着与求解流动方程相同的数值污染和数值刚性问题。首先推导了带有预处理的Roe格式,然后发展了适合全速度流动的共轭方程求解方法,最后选取翼型和叶栅两个典型算例进行了验证。计算结果表明所发展的方法可很好地用于低马赫数时的气动反问题设计。     

稀薄气体动力学的非线性耦合本构方程理论及验证

作为一种新兴的气体动力学本构方程理论体系,非线性耦合本构方程(NCCR)理论的创新之处在于黏性应力和热传导中抛弃了广义牛顿定律和傅里叶热传导定律,而是考虑熵条件从Boltzmann方程直接推导出了黏性应力和热传导非线性耦合输运方程即NCCR模型。NCCR模型在连续区域与广义牛顿定律和傅里叶热传导定律一致,但是在稀薄区域其非线性关系逐渐增强,即NCCR模型大大扩展了应力-应变和热传导-温度梯度的本构关系,为稀薄气体流动模拟提供了新的途径。为解决NCCR模型强非线性难题,发展了混合模态间断伽辽金求解NCCR和流动守恒方程的数值算法,成功避免了NCCR边界条件高阶量赋值的难题。并对典型亚声速、超声速NACA0012翼型绕流、高超声速圆柱绕流、极高马赫数圆柱绕流、微尺度激波-涡干涉、连续稀薄渐变算例、方腔流动进行了数值计算和验证。结果表明,在稀薄区域,NCCR模型准确捕捉到了流场信息,吻合于蒙特卡罗直接模拟(DSMC)或实验结果,包括:压力分布、速度分布、温度分布、壁面热流等。对圆柱绕流的进一步研究发现NCCR在低努森数下与Navier-Stokes方程结果相同,随着努森数升高两者差距逐渐扩大且在高努森数下NCCR吻合于DSMC和实验结果,从侧面证明了基于NCCR理论用同一套方程解决连续稀薄耦合流动的可能性。     

用流函数方法求解叶轮机械三维气动设计问题

将三维流动中定义于任意曲线坐标系上的两个流函数φ(x~1,x~2,x~3)和ψ(x~1,x~2,x~3)反演为x~1=x~1(φ,x~2,x~3)及ψ=ψ(φ,x~2,x~3)形式。在反演后的坐标系(φ,x~2,x~3)上导出三维流体动力学主控方程(坐标流函数方程)。该方程对于给定叶片厚度和叶片表面某气动参数(压强、速度等)分布,计算叶型坐标的问题(半反问题)易于求解。在求解差分方程时采用对x~1和ψ联立求解可得到较好的收敛性。通过算例计算表明该方法可给出满意的三维叶型坐标。     

喷管型面对固体火箭发动机性能的影响

用时间相关法数值计算跨音速喷管流动时,其控制方程分别采用守恒型和非守恒型方程.通过对JPL喷管进行计算发现:在相同的精度下,非守恒型方程的收敛速度比守恒型方程的收敛速度快一倍多.采用修正阻尼法(DASHCO法)进行数值计算,其收敛速度均提高六倍以上.最后,采用直接优化法研究了喷管收敛段型面及喉部型面对发动机性能的影响.     

圆柱突然起动的快速涡解法

 文中将Chorin的涡方法、格子涡(VIC)方法和快速Fourier变换(FFT)相结合,发展了一套快速有效的求解高Re数下非定常N-S方程的算法(快速涡方法)。通过对二维圆柱突然起动问题的数值计算,得到流动分离及其演化过程(包括二次涡及二次涡对的生成);此外还得到回流区对称轴线上速度分布。这些结果与实验数据及其它数值解相比,是令人满意的。该程序对其它高Re数非定常流动问题也是适用的。     

新型单方程湍流模型构造及其应用

为了提高雷诺应力本构关系式对于非平衡湍流的预测精度并且兼顾求解效率,发展了一种基于湍动能k的单方程(KDO)湍流模型。其主要思路为:采用平板直接数值模拟(DNS)数据对原始Bradshaw假设进行重新标定,使得当地湍动能和雷诺主应力之比能够根据当地流动条件进行自适应调节;同时,对标准k-ε模型中的湍流耗散率输运方程采用代数形式进行模化,进而形成一种一方程湍流模型。算例结果表明:KDO湍流模型对于对数率能够准确反馈,而在带有激波或部件干扰等流动现象的RAE-2822、ONERA-M6和DLR-F6算例中,KDO湍流模型能够准确控制湍动能的增长和衰减,相比于Spalart-Allmaras和Menter k-ω剪切应力输运(SST)模型,KDO湍流模型的计算结果有了较为明显的改善。     

三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

 提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性、高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。     

基于涡限制法的旋翼气动噪声计算

在直升机旋翼流动的数值模拟中,流动求解精度对旋翼气动噪声的预测有着重要影响.采用中心格式有限体积法求解可压缩Euler方程数值模拟旋翼绕流,并采用基于Ffowcs Williams- Hawkings( FW-H)方程的声类比方法计算旋翼气动噪声.为了抑制中心格式的数值耗散,保持机翼翼尖以及旋翼桨尖的尾涡结构,引入了涡...     

离心压缩机叶片载荷分析

本文通过对常用叶片载荷型式的分析,推荐一种较理想的叶片载荷型式,并展示高效叶轮的设计实例。 根据欧拉方程,对于理想流体的绝热流动,单位质量流体通过叶轮所获得的功可用理论能量头h_(th)表示:     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.