增强高超声速化学反应流数值计算的稳定性方法

针对高超声速化学反应流数值模拟中包含源项对角化雅可比矩阵的数值格式稳定性很差的问题,在对采用上下对称的高斯-赛德尔(LU-SGS)格式的离散方程进行线性稳定性分析的基础上,提出一种依据流动状态对流场的块网格进行局部加密的方法,以增强流场数值计算稳定性。在高超声速流场中,对包含激波后亚声速高温区域的块网格给予加密,而其他区域中的块网格可以适当进行网格粗化或保持不变。算例结果表明,相比于初始网格,局部加密后的改进网格并不会产生过多的网格量,而且能够采用较大的柯朗-弗里德里奇-列维（CFL）数以达到数值求解过程中稳定计算和快速收敛的目的。     

考虑地面影响的半空间气动噪声数值计算方法

含非紧致边界的半空间气动噪声问题普遍存在于航空领域,在数值计算过程中不仅要考虑非紧致边界的散射效应,还需要考虑地面对声波的反射。基于Lighthill声模拟理论和广义格林函数方法,引入边界声压积分项和可压缩修正项可以考虑非紧致边界以及流体可压缩性对声波散射的影响。然而在半空间声场的计算过程中,包含沿无限大地面的积分项,为了克服沿地面积分所带来的巨大工作量,根据无穷大平板对声波的反射特性,推导得出频域下基于半空间格林函数的声学积分方程。同时开展了半空间中应力源噪声与圆柱绕流噪声的数值预测与分析,验证了该方法的准确性与高效性。     

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。     

超声速空腔流动波系演化及噪声控制研究进展

空腔结构在先进飞行器和动力装置中应用十分广泛,如飞机内埋武器舱、起落架舱、导弹光学头罩、超燃冲压发动机燃烧室、推力矢量发动机喷口等。这些空腔结构在实际应用中普遍面临严峻的气动噪声问题。研究表明,空腔噪声的产生与腔内非定常流动和复杂波系结构关系密切。对超声速空腔流致噪声已开展的研究进行综述,从而为系统地认识波系结构的演化规律、噪声产生机理和噪声控制机理提供参考。首先,介绍了闭式、过渡式和开式3种不同类型超声速空腔流动的主要特点,针对气动噪声最为严重的开式空腔流动,分析了7种典型波系结构形成、传播和相互作用等规律。然后,从空腔压力振荡反馈回路的4个关键环节出发,分析了当前广泛应用的3种压力反馈模型的异同。最后,总结梳理了超声速空腔噪声控制的5条路径,指出在第5条控制路径"干扰反馈激波的传播"研究方面存在的不足。并指出了当前研究存在的部分问题,就未来研究方向提出了建议。     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。     

基于代理模型方法的翼型优化设计

提出了基于代理模型的两步优化方法,用于翼型在黏性流场中气动外形的优化设计.第一步优化使用基于代理模型的遗传算法(GA)获得全局最优解的大致范围.以本征正交分解(POD)方法作为第一步优化中气动力计算的代理模型方法,降低遗传算法的计算量,并对其采样解的生成方法进行改进,提高了计算精度;第二步优化使用基于NavierSto...     

结冰风洞实验中的相似理论

相似性是风洞实验的一项基本要求,结冰风洞实验也不例外。为了系统性地研究结冰风洞实验中的相似性问题,首先,通过对飞行结冰问题进行分析和总结,找出了其中涉及的各种变量,并分析了其物理意义和量纲。其次,采用相似理论分析方法对结冰问题进行分析,得到了若干无量纲参数,并分析了这些无量纲参数的意义。再次,通过忽略一些不重要的影响因素,减少无量纲参数,并对飞行结冰中涉及的影响因素进行了合理地简化,最终得出了结冰实验的相似准则。最后,结合结冰风洞的运行参数,按照相似准则的要求得到了缩比模型结冰实验运行参数选取方法,并采用CFD方法进行了验证。结果表明:得到的缩比模型结冰实验运行参数选取方法是可行的。      

低背鳍对细长平板三角翼分离涡稳定性影响的研究

对细长锥体分离涡稳定性判据进行了介绍,并应用该判据对细长体平板三角翼和加上两个不同高度背鳍组合体分离涡流场的稳定性进行了分析。为了验证理论分析的有效性,并观察气动力随迎角的变化,根据理论分析模型设计了实验模型,并在低速风洞进行了六分量天平测力实验,三角翼后掠角为82．5°,实验迎角范围12°～32°,侧滑角范围-10°～＋10°,实验雷诺数1．66×106。实验结果表明：在翼面上发生旋涡破裂前,单独细长平板三角翼的横向力／力矩在实验迎角范围内始终为零;加了两个不同高度的背鳍后,在一定迎角下,三角翼的横向力／力矩变得不为零。理论分析结果和实验结果在定性上吻合得很好,初步验证了有关文献关于细长锥体分离涡的稳定性理论。     

超声速流场中侧向射流的数值研究

通过数值方法研究拱柱体上侧向射流与超声速来流的相互干扰,为侧向射流喷管出口横截面几何形状的设计提供依据,实现高速飞行器机动飞行的姿态控制。采用多块嵌套网格并行算法,数值求解Navier-Stokes方程以及k-ω湍流模型,分别对四种不同横截面形状(相同面积的圆形、椭圆形、楔形以及倒置楔形)的射流喷管出口形成的流场进行了研究。圆形喷管出口的流场数值计算结果与实验结果相一致,表明本文采用的数值方法可靠以及网格分布合理。对比物面压力分布和射流干扰放大因子发现,对于长轴与来流垂直的椭圆形喷管出口,在射流上游一侧的物面附近形成较大的分离区以及较强的激波,由此产生的高压区有利于侧向射流对飞行器姿态的控制。