新型高低速流统一算法及其叶轮机应用

 对于可压缩/不可压缩混合流动或高低速混合流动问题，目前没有较好的解决方法。基于Roe格式及预处理方法，提出了全速度Roe格式。全速度Roe格式是将Roe格式与低速Roe格式通过一个与本地马赫数相关的函数联合而得到的。与标准Roe格式相比，对亚音速流动，全速度Roe格式中声速对数值耗散的影响随着马赫数变化而变化。与预处理Roe格式相比，全速度Roe格式简单易于实现，而且没有计算稳定性的限制，不需要采用全局截断处理，从而在理论上对高低速流动具有一致精度。事实上，全速度Roe格式意味着可以通过直接改变Roe格式的非线性特征值，解决可压不可压流动统一计算精度的问题。这是对统一算法的新观点。数值模拟表明,全速度Roe格式具有与预处理Roe格式一样的激波捕获能力、极低速流动准确模拟能力。     

预处理AUSMDV格式在微型扑翼绕流数值模拟中的应用

由于微型扑翼的低速低雷诺特性,对其粘性绕流的数值模拟存在较大困难。传统的中心空间离散格式不具有格式耗散而需要加入带有自由度的人工耗散,给计算带来不确定因素;此外,在低速低雷诺条件下,RANS方程组的条件数太大,导致计算收敛缓慢甚至不收敛,需要引入预处理方法加速收敛。本文使用具有低耗散特性的AUSMDV空间离散格式结合预处理方法对扑翼的非定常粘性绕流进行了数值模拟,非定常推进采用了含双时间迭代的LU-SGS隐式时间推进,湍流模型采用了BL模型。计算结果表明,加入预处理能够克服AUSMDV格式难以收敛的缺点,并且与中心格式相比,基于预处理的AUSMDV格式能够更准确地模拟扑翼的非定常粘性绕流,通过将本文计算结果与文献结果对比验证了本文方法的有效性。在此基础上研究了扑翼相关参数对气动特性的影响,对进一步了解扑翼气动力产生机理,指导扑翼的气动设计具有参考价值。     

低耗散TVD格式及叶轮机内低马赫数流动模拟

推导了条件化预处理矩阵在守恒变量下的形式,以及三维任意曲线坐标系下的相应的系统特征值与特征矩阵。根据预处理技术修正了任意曲线坐标下的Harten-TVD格式,得到低耗散TVD格式,并讨论了抑制了压力速度失耦的方法。分别使用修正后低耗散格式与未修正的格式,对高负荷低压涡轮叶栅T106内低速流动:进口马赫数分别为0.1,0.01和0.001,进行数值模拟。计算表明,未修正格式不能得到有意义的结果,而修正后的低耗散格式,即使在极低的马赫数流动下,也工作良好。同时可以注意到:对于无粘流动,三种进口马赫数条件下,流场内等压线分布几乎是一致的。      

高超声速层流气动热预测混合算法研究

提出了兼顾激波和边界层模拟的混合算法--在激波区逼近NND格式,在流动光滑区逼近三阶偏置格式,采用了Steger-Warming、KFVS和Vanleer三种典型的矢通量分裂方法,对来流马赫数为10、基于头部半径的雷诺数为1×105和1×106的球头绕流的壁面热流进行了计算.计算结果表明:混合算法明显降低了热流对网格的依赖性.在此基础上完成了钝双锥和双椭球壁面热流的预测,得到了与实验测量一致性比较好的结果.     

高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数

圆球绕流曳力系数通常表示为雷诺数的函数.而随着马赫数增大,曳力系数与马赫数的相关性逐渐增强.本文应用硬球-拟颗粒模型方法模拟研究1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3条件下的圆球绕流过程.分析了模拟区域设置和拟颗粒-圆球作用的热适应系数对曳力系数结果的影响,得到合适的区域设置条件和热适应系数,获得高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数,并依此初步建立1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3范围内马赫数对曳力系数的修正模型.     

基于非结构/混合网格的脱体涡模拟算法

为了提高二阶精度有限体积算法的湍流数值模拟能力,在原始Roe格式基础上建立了与脱体涡模拟(DES)方法相匹配的二阶混合耗散自适应格式,根据流场信息自动调节格式耗散,并分别基于Spalart-Allmaras一方程湍流模型和k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,发展了基于非结构/混合网格的DES方法。采用该方法计算了雷诺数为3 900的圆柱绕流和NACA 0021翼型60°大迎角分离流两个典型算例,通过与试验数据以及其他数值结果的对比验证了该方法的可行性。同时开展了不同数值格式、湍流模型的对比分析,研究结果表明:采用混合格式的DES算法能够解析更小尺度的湍流涡结构、计算数据更接近试验值;本文的DES类算法受其基准湍流模型影响较小。     

头部几何微扰对流动不对称性影响的数值研究

使用低耗散的Roe格式,数值模拟了头部几何微扰对细长体不对称绕流的影响.计算发现,周向网格的加密本身也是一种微扰动,会对流场产生很大的影响.如果再加上头部几何微扰,随其高度的变化,侧向力分布显示出类似于几何扰动周向角变化时产生的双稳态现象.在对应的攻角下,头部扰动的方式决定了头部分离的方向,进而决定了后体的流场发展情况.     

预处理方法在混合笛卡尔网格中的应用研究

使用基于混合笛卡尔网格的预处理方法,对低马赫数下的定常/非定常流动问题进行了数值模拟研究。网格生成中,在物面附近生成贴体结构网格,其余计算区域使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找"贡献单元"实现流场数据间的传递。同时,使用基于密度的预处理方法,发展了一套可求解从低速(极低马赫数)到常规马赫数的N-S方程求解器,时间离散使用隐式双时间步LU-SGS格式,空间离散使用具有二阶精度的格心格式有限体积方法。非定常流动问题的数值模拟过程中,使用逆距离插值来进行新现网格单元上流场参数确定。通过对NACA0012翼型在低马赫数下的定常绕流和动态失速问题的数值模拟研究表明:使用预处理方法能够加快低马赫数下数值计算的收敛速度和提高计算的准确性,基于混合笛卡尔网格的N-S方程求解器能够模拟包含运动边界的低速不可压非定常流动问题。耦合预处理技术的混合笛卡尔网格方法给包含低速和常规马赫数的复杂运动边界问题的求解提供了新的思路。     

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。     

低亚声速和跨声速矩形柱绕流的大涡模拟研究

采用基于非结构网格的有限体/有限元混合格式和大涡模拟的方法求解可压缩Navier-Stokes方程,研究了不同长宽比矩形柱低亚声速和跨声速绕流的流动特性。在雷诺数为22000时,对来流马赫数等于0.1和0.75,截面长宽比分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的矩形柱绕流进行了大涡模拟,以研究长宽比和压缩性对矩形柱绕流流场的影响。马赫数为0.1时,Strouhal数随着长宽比的增大先降低再增大然后再降低;长宽比为3∶1和4∶1时会有流动的再附产生;柱体上表面的三维特性在长宽比大时更明显。马赫数为0.75时,Strouhal数随着长宽比的增大逐渐减小;湍流脉动和涡脱落受到抑制;方柱的近尾迹区域,有两种形成机制不同的局部超声速区。     

基于Roe格式的低速预处理方法研究

应用Weiss-Smith预处理矩阵,发展了Roe格式的预处理方法。在引入局部正交坐标系的前提下,推导了预处理后的Roe格式的定常及非定常形式,分别给出了一组适用于守恒变量的特征矩阵。最后就典型状态给出了验证算例,计算结果表明,本文发展的预处理方法正确可靠,在低速计算中大大提高了计算效率和计算精度,是一种非常有前途和价值的方法。     

旋翼干扰流场数值模拟中的新型Blend低速预处理方法

针对定常低速预处理在双时间步长内收敛性差、旋翼干扰流场数值模拟中非定常低速预处理自动退化为无预处理的问题,在非定常低速预处理方法的基础上,采用量级分析方法研究了对流项和黏性项量级,通过组合定常和非定常预处理特征值矩阵,建立了一种新型Blend低速预处理方法。通过圆柱非定常扰流、前飞直升机旋翼/机身干扰非定常流场和直升机/舰船干扰非定常流场的数值模拟,对各低速预处理方法的收敛性和预测精度进行了细致研究。结果表明,本文方法解决了在旋翼干扰流场数值模拟时非定常低速预处理自动退化为无预处理的问题,相比定常低速预处理大幅提高了收敛效率。     

A novel high-order scheme for numerical simulation of wake flow over helicopter rotors in hover

Accurate prediction of tip vortices is crucial for predicting the hovering performance of a helicopter rotor. A new high-order scheme(we call it WENO-K) proposed by our research group is employed to minimize numerical dissipation and extended to numerical simulation of unsteady compressible viscous flows dominated by tip vortices over hovering rotors. WENO-K is referred to as an adaptively optimized WENO scheme with Gauss-Kriging reconstruction, and its advantage is to reduce dissipation in smoo...     

一种修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性

将一种基于多维修正的Osher通量运用于高阶加权紧致非线性格式(WCNS)中,该修正通量主要在垂直于激波面的界面上增加耗散,能够改善Osher通量的激波捕捉稳定性,同时对边界层和接触间断的分辨率影响非常小。对修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性进行研究,通过数值模拟测试了基于Osher通量的WCNS的激波稳定性、热流预测精度、边界层模拟能力、激波边界层干扰模拟能力,并与Steger-Warming通量和Roe通量进行了对比。结果表明修正后的Osher通量比Harten修正的Roe通量具有更好的激波捕捉鲁棒性,而边界层、驻点热流值和激波边界层干扰的模拟则明显优于Steger-Warming通量。上述结果说明了基于修正的Osher通量的高阶WCNS具有较好的激波捕捉特性、热流预测精度和边界层计算能力。     

求解可压缩流动的低耗散E-CUSP迎风格式性能分析

采用对比分析的方法,对求解可压缩流动的低耗散E-CUSP(LDE)迎风格式的性能进行测评,目的是进一步更好地将其用于分离涡数值模拟。对比格式采用广泛使用的Roe格式。控制方程为Euler和雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用全隐式无分裂Gauss-Seidel线松驰时间推进方法。结果表明,LDE格式具有强的捕捉激波能力,计算结果与Roe格式一致,和实验数据吻合良好。相对于Roe格式,LDE格式具有较快的收敛速度。     

预处理AUSM+格式在全速域反应流模拟中的应用

对预处理修正的AUSM+(advection upwind splitting method+)格式进行了详细讨论, 并将其应用于全速域范围内的化学反应流场数值模拟.基于多组分Navier-Stokes方程, 结合控制方程时间导数项的预处理, 采用预处理修正的AUSM+格式发展了一种模拟全速域范围内化学反应流场的有效算法.验证算例包括超声速、亚声速以及极低速情形的化学反应流场, 计算结果表明基于预处理AUSM+格式发展的算法能够有效地用于全速域范围内化学反应流动问题的模拟.      

高分辨率格式与钝舵绕流数值模拟

 采用Beam-Warming/TVD格式，Roe二阶、三阶以及四阶通量差分分裂格式数值计算雷诺平均Navier-Stokes方程，湍流附加粘性采用Baldwin-Lomax模型计算，针对超声速绕钝圆舵流动进行了数值模拟比较研究，计算给出了流场的详细结构，物面压力分布与实验值符合良好，尤其是Roe三阶格式给出了较好的计算结果，两个超声速回流区以及湍流边界层分离也得到了很好的数值模拟。