超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景,采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,采用高精度WENO格式进行空间离散,并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致,来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构,并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析,揭示了流场结构特征及其时空演化规律,并获得了流场密度脉动特性。      

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

伴流速度对平行喷口射流影响的数值研究

采用大涡模拟方法计算研究平行喷口出口马赫数为0.9,伴流速度比分别为0.1、0.3和0.5时的喷射流场特性。计算时采用高精度的数值模拟方法,并结合Smagorinsky亚网格尺度模型。考察了流场统计平均特性、脉动特性以及射流流场中涡结构的发展演变过程,结果表明:伴流速度的增大使得势流核长度变长,减缓了空间剪切层的发展,转捩延迟。喷射流场速度分布具有自相似性,而湍流强度的分布则不具有相似性。通过分析剪切层中轴向速度脉动、径向速度脉动、压力脉动在空间任意两点上的时空相关性,发现随着伴流速度的增大,脉动量在空间上的相关性减弱,而脉动量向下游的传递速率增加。该研究结果为进一步揭示伴流速度对喷流声场的影响提供基础。     

高对流Mach数三维混合层转捩特性分析及小激波结构模拟

采用空间大涡模拟方法对超/超混合、超/亚混合两类三维可压缩平面混合层转捩及其全湍流流场进行了研究,认为混合层动量厚度饱和点可作为流场转捩完成的标志.计算所得到的线性扰动波激励下流场转捩拟序结构与随机扰动下自然失稳结构以及文献结果进行了比对,其结果是一致的,表明了引入线性扰动激励来研究流场转捩结构是合理的.同时,本文还在较高对流Mach数流动下得到了三维流场动态小激波结构,其分布具有非对称特性,且形状与实验及直接数值模拟结果相似.不同条件混合层转捩计算表明:高对流Mach数下混合层转捩以Λ涡结构的形成和发展为主导机制,受扰动及对流条件的影响Λ涡结构不尽相同,某些情况下流场出现二维与三维涡结构共存现象.充分发展湍流区域,流场脉动速度分量量级相同,湍流压缩效应随着对流Mach数提高而明显增强.     

锯齿形转捩片触发高超声速进气道边界层转捩的大涡模拟

为促进锯齿形转捩片在高超声速进气道中的应用,以地面风洞条件下的二元进气道为研究对象,采用高精度大涡模拟方法对锯齿形转捩片在三级压缩楔面上触发的边界层转捩现象开展了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runge-Kutta方法。数值模拟清晰捕捉到了边界层转捩的空间发展演化过程,并获得了统计平均流场以及流场脉动特征。数值模拟结果表明转捩片能够有效触发进气道压缩面边界层转捩;通过与等熵压缩面及单楔面数值模拟结果的对比分析,获得了转捩片触发边界层转捩的内在机理,为后续研究工作奠定了基础。     

基于超声速边界层转捩的WENO格式对比分析

基于高精度weighted essentially non-oscillation(WENO)格式对马赫数为4.5,雷诺数为10000的超声速来流条件下平板边界层转捩过程进行了大涡模拟.无黏通量分别用5阶、7阶、9阶WENO格式进行离散,黏性通量离散采用4阶中心差分格式,时间推进采用具有总变差递减(TVD)性质的3阶精度Runge-Kutta方法.通过在入口边界叠加一对等幅最不稳定第一模态谐波扰动,分别采用3种WENO格式计算得到了平板层流边界层失稳转捩的演化过程.结果表明:5阶WENO格式的数值耗散明显高于7阶和9阶WENO格式,在捕捉湍流涡和流场脉动特性上存在明显不足.9阶WENO格式的耗散小,能够捕捉到流场更小尺度的涡和高频脉动.研究具有高频脉动特性的问题或者欲捕捉精细涡结构时,建议采用7阶以上的高精度格式.      

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。     

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律，采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先，通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性，并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后，讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响，数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致，且均与已有实验和数值模拟结果相符；而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后，通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响，研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动，同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。     

超声速底部喷流干扰流场数值模拟

数值模拟了不同马赫数,不同喷流压比下的轴对称超声速底部喷流干扰流场,采用LU隐式算法进行数值求解并引入了Baldwin-Lomax代数湍流模型.采用分区网格将弹身与底部区域合为一个整体进行计算,得到了清晰的流场结构和弹体表面及底部的压力分布,并与试验结果进行了比较.数值模拟结果表明超声速底部喷流干扰流场结构复杂,有、无喷流时底部流场有很大不同, 喷流对底压分布有明显影响,进而对轴向力系数影响显著.     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

轴向三级旋流燃烧室流场结构大涡模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室内部复杂流场结构,在自有CFD平台上采用动态亚网格模型对一种轴向3级旋流燃烧室的单个头部矩形试验模型0.5MPa下冷态流场结构进行了LES(大涡模拟).为避免试验模型简化误差,对包括火焰筒上约2000个气膜孔在内的燃烧室所有精细结构进行了完全仿真.计算模拟了燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常状态的完整非定常发展过程,成功捕捉到主旋流与横向对冲射流相互影响作用及涡旋破碎等细观结构,获得的测点湍动能谱与湍流经典理论中惯性子区-5/3规律一致,LES时间平均流场结构与已有PIV（particle image velocimetry）试验结果吻合,表明所建立的高仿真网格与LES方法可进一步用于真实航空发动机环形燃烧室流场数值模拟.      

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

本征正交分解法对正十二烷喷雾射流的解析

应用大涡模拟方法对航空煤油单组分替代燃料正十二烷冷态喷雾现象进行模拟计算,探究喷雾射流中的多物理场耦合现象。从宏观层面分析燃油破碎蒸发及油气混合过程,发现流场涡团在其中起着重要的作用。运用本征正交分解方法对正十二烷射流质量分数场和涡量场数据库进行加工,从“微观”层面深入探究两者的联系。结果表明:正十二烷质量分数场喷雾结构与射流涡量场涡团结构存在显著的空间分布相关性,反应出两者结构演变具有重要关联特征。湍流脉动致使涡团尺度发生变化,从而影响燃油破碎蒸发,最终使得喷雾不同尺度结构分布形态发生改变。      

液氢绕回转体非定常空化的流动特性

为研究航空发动机内部低温燃料的非定常空化流动特性,采用大涡模拟(LES)对液氢绕回转体的非定常流动特性进行了分析。通过与实验结果的对比可知,所采用的数值计算方法能够有效地模拟液氢绕回转体流动的非定常过程。讨论了空化演化过程和旋涡动力特性,研究结果表明:空化的非定常演变过程大致可以分为3个阶段:附着空穴生长阶段、大尺度空泡发展阶段和小尺度空泡发展阶段,且反向射流是造成空穴不稳定及脱落的主要原因;探讨了空化与旋涡之间的交互作用,明确了空穴前端和尾端处的涡量源于旋涡伸长项,空穴内部涡量源于旋涡扩张项,空穴交界面、反向射流头部区域涡量源于斜压扭矩项。      

涡轮叶栅超声速流场流动特征与气膜冷却特性

应用shear strain transport(SST) k-ω 两方程湍流模型,对超声速涡轮叶栅通道内气膜冷却特性进行数值研究,得到不同气膜孔倾角和吹风比下叶栅通道内流场流动特征以及气膜冷却效率的变化规律.在激波入射点附近的气膜射流能够向分离区边界层中补充动量,克服逆压力梯度,有效改善由于激波引起的局部过热.亚声速流动状态下的气膜入射角度对冷却效率的影响能够在较大吹风比下得以体现,而超声速主流状态下,气膜冷却效率与入射角度基本无关,说明亚声速的气膜冷却射流对超声速主流的穿透力要弱于对亚声速主流的穿透力;超声速主流条件下,在激波入射位置的气膜冷却效率要高于激波入射位置下游的气膜冷却效率,这与气膜孔出流在当地的湍流度有关.      

高速飞行器空腔脉动压力主动控制与非线性数值模拟

空腔脉动压力(空腔噪声)预测是高速飞行器内埋弹舱的关键技术之一。非线性噪声求解方法是近年来新提出的一种噪声求解方法,为研究该方法对空腔噪声的预测性能,将雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程与之相结合。首先,通过RANS求解空腔周围流场,得到初始湍流统计平均解,其中包含平均流场基本特征及强制设定的湍流脉动的统计描述。然后,采用非线性噪声求解方法重构噪声源并高精度模拟压力脉动的传播,计算了马赫数Ma=1.5和Ma=5条件下的空腔噪声。结果表明,噪声特性计算值与试验结果基本吻合,说明非线性噪声求解方法对于高速空腔流动噪声具有较好的预测能力。在此基础上,研究了马赫数Ma=1.5和Ma=5条件下在空腔前缘加入气帘喷流主动控制措施对噪声的抑制作用,并得出在超声速和高超声速条件下,气帘喷流对于空腔脉动压力都有较好的抑制作用。     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.