二维流热耦合数值模拟程序及方法研究

本文发展了一套二维流热耦合数值模拟程序,流体域中采用结构化网格,固体域中采用非结构化网格,流体域和固体域耦合面上的网格为非匹配连接。为了使该程序能够同时模拟低速不可压流动,程序中还加入了预处理方法。此外,本文还发展了一种能较好保持通量守恒的界面插值技术,来处理流体域和固体域耦合面上的非匹配网格。数值计算结果与实验值或商业软件结果的对比表明:本程序中的预处理方法有效地改善了低速不可压流动下的计算收敛性和收敛精度,使本程序能够同时模拟高速和低速不可压流动;扩压器和叶栅的流热耦合计算表明本文程序在流热耦合计算方面具有较好的模拟能力,同时也表明本文发展的界面插值技术的可靠性。     

SPS原位制备Ti(C,N)/TC4复合材料的组织和性能研究

采用放电等离子烧结技术,以石墨相氮化碳(g–C₃N₄)为氮源和碳源,原位制备了Ti(C,N)/TC4复合材料。通过改变g–C₃N₄添加量,制备出不同Ti(C,N)含量的复合材料,并对其微观结构、硬度和摩擦性能进行了重点研究。结果表明,原位制备出的Ti(C,N)呈颗粒状,整体呈网格状分布,且与基体界面结合良好。随着g–C₃N₄添加量的增加,复合材料硬度不断提升,耐磨性能先提升后降低。综合评估硬度与摩擦性能,添加质量分数为5%的g–C₃N₄时所制备的复合材料具有较高的硬度和优秀的耐磨性能,硬度为627.68HV,与纯TC4钛合金烧结试样相比提升了44.4%,摩擦系数与磨损量分别为0.2608与0.056 mm³,相较于纯TC4烧结试样性能分别提升了29.3%与61.6%。     

多重拼接网格技术应用研究

利用多重拼接网格技术对三种不同类型的计算外形进行了内外流场的数值模拟,并将计算结果与单重对接和单重拼接的结果进行了对比,计算结果表明多重拼接网格技术在没有降低计算精度的情况下,大大简化了网格生成,同时可以把计算速度提高一个量级左右,取得了令人满意的效果。     

一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略及其应用

研究了一类二维非结构网格DSMC方法的实现策略。在数据结构方面,设计了局部化的数据组织方式,节约了内存与计算时间。发展了一种跟踪模拟分子迁移的算法,该算法仅需少量的逻辑运算与代数运算,不仅可以快速跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且可以准确判别分子与物面是否相互作用,搜索过程中的附带信息给出了分子与物面碰撞的精确时间与位置,避免了重新计算。引入碰撞距离的思想,既减少存储又保证正确的模拟结果。在程序编制过程中,我们充分展现了Fortran90高级语言的主要特性,引入动态数组、指针、链表以及派生类型数据,编制了计算程序。最后对过渡流域高超声绕流进行了数值试验。     

涡流发生器数值计算方法研究

利用RANS方程和SA湍流模型解算器,采用多重网格法和预处理技术,对叶片式涡流发生器进行了数值模拟研究,初步探讨了涡流发生器的安装方式、剖面形状、几何尺度等因素在机翼分离流动控制中的影响规律和设计原则,并初步研究了安装涡流发生器对超临界机翼气动性能的影响。     

汽车超车过程的空气动力特性研究

采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟。通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响。研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律。通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟。     

基于非结构运动对接网格的旋翼前飞流场数值模拟

发展了一种基于线性弹簧理论的非结构运动对接网格方法,通过求解非定常Euler方程模拟了旋翼的前飞流场。利用运动区网格的转动模拟旋翼的旋转运动,并运用线性弹簧动态网格技术处理旋翼的挥舞和变距运动,方程求解中采用一种精度较高的插值和重构方法。算例表明,本文的方法能够有效地模拟旋翼的前飞流场。     

非结构网格热化学非平衡Navier-Stokes方程组求解技术研究

采用非结构混合网格数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程组获得高超声速流场各组分气动热力学参数,并计算物面热流值。利用有限速率化学反应模型和二温度气体模型分别描述化学非平衡和热力学非平衡过程,通过Park振动——离解模型刻画化学非平衡和热力学非平衡耦合效应。无黏通量项采用AUSM格式离散;对无黏通量项和源项采用隐式时间推进格式,增强数值求解过程稳定性。数值算例表明,为得到正确的物面热流值,非结构混合网格边界层y+需减小至0.5,且网格增长率不超过1.4;采用元素摩尔数守恒关系式计算化学反应源项,可有效降低数值残差积累对计算小组分气体的不利影响,提高各气体组分计算准确度。     

XY-SAS模型中不同网格尺度限制器的影响分析

XY-SAS(Xu & Yan Scale Adaptive Simulation)模型通过在SA(Spalart-Allmaras)模型耗散项的湍流尺度中引入基于平均涡量的冯卡门长度尺度,在不稳定流动区域具有类似LES(Large Eddy Simulation)的计算性能,且不存在DES(Detached Eddy Simulation)方法中RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)与LES的交界面问题.由于SAS类模型预测的湍流能谱存在高波数衰减不足的缺陷,需要进一步在湍流尺度中引入网格尺度作为限制器.采用不同形式的网格尺度限制器构造了3种XY-SAS模型,对Re=3 900的圆柱绕流进行数值模拟,并与DES及实验数据进行比较.结果表明网格尺度限制器对XY-SAS模型的计算性能有较大影响,以最小网格间距作为高波数衰减限制器是较为合理的选择,此时模型对于大分离流动能够达到DES的模拟能力.     

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.