斜齿轮齿面柔度矩阵与修形的有限元计算

提出了一套斜齿轮修形用的有限元计算程序。该程序自动生成轮齿有限元网格和齿面接触线, 计算得到接触线上结点的柔度矩阵;然后考虑支承结构与齿轮的综合变形, 由数学规划获得最佳齿面修形。计算与实验结果对比证明该程序操作简便、计算精度高, 具有工程应用价值。      

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。     

基于振荡式涡流发生器的激波/边界层干扰控制方法

激波/边界层干扰（Shock Wave/Boundary Layer Interaction, SWBLI）是高超声速进气道中常见的流动现象,当其诱导边界层发生显著分离时往往会导致进气道气动性能严重下降。为此,本文提出了一种基于新型振荡式涡流发生器阵列的SWBLI控制方法,采用基于动网格技术的非定常仿真方法对该涡流发生器阵列流场进行了研究,验证了该控制方法的有效性,并研究了相关参数的影响规律。研究结果表明,振荡式涡流发生器可在超声速边界层内诱导产生振荡强度可变的涡系结构,增强了边界层流动与高速主流的掺混,同时该涡流发生器振荡过程中独特的“挤压”“抽吸”效应持续对气流进行充能,边界层内速度分布饱满程度显著增加。在控制效果方面,随着涡流发生器振荡频率增加,其对边界层低速气流充能的效果增强,对SWBLI流场的控制效果更加明显,形状因子最高可以降低28%;当激波入射在涡流发生器下游34hv时（其中hv为振荡式涡流发生器最大高度）,控制效果最佳,激波诱导边界层分离区长度相比无控制时可减少25%;在涡流发生器下游x=270 mm处截取高度30 mm(z=30 mm)设置为监控面,相比于定几何涡流发...     

DSMC方法中的统计噪声分析

通过对基于颗粒输运随机统计模拟的DSMC方法模拟准则的分析研究,定义了该方法中统计量的噪声、相对统计涨落及置信度。引入概率论中的切比雪夫不等式,利用正态分布平衡流统计理论,推导出DSMC方法模拟流场宏观速度和温度的统计噪声理论公式,并以过渡流区平面Couette剪切流和激波结构内流动为算例进行数值模拟验证与理论分析。结果表明,在一定的置信度下,选择适当的模拟参考值,DSMC统计量的噪声除与样本容量(模拟分子数及统计抽样次数)的平方根成反比例外,速度的相对统计涨落还与流场马赫数成反比,而温度的相对统计涨落与流场宏观参数无关。这为控制DSMC模拟结果的相对统计涨落提供了理论指导和计算依据。     

基于改进SST模型的分离流动数值模拟

对SST湍流模型进行了改进,并通过对典型分离流动进行数值模拟,来检验和提高模型预测分离流动的能力.基于亚声速分离流动,提出了提高雷诺应力的模拟精度和分离流修正的改进方法,并进行了对比研究得出结论;在亚声速分离流动分析结论基础上,采用了可压缩性修正方法,开展了跨声速、超声速和高超声速激波/边界层干扰分离流动的数值模拟研究.结果表明:提高雷诺应力的模拟精度和采用分离流修正明显地提高了SST湍流模型对分离流动的模拟能力;适当地可压缩性修正对超声速和高超声速分离流动的计算精度有改善作用.     

跨音速压气机轮毂型线优化设计

针对跨音速转子Rotor37,采用Numeca软件中的Design3D模块对其叶片区域的轮毂型线进行了优化设计计算。模块结合了CFD、人工神经网络和遗传算法,优化效果显著。轮毂型线优化后的Rotor37相比原始设计,在整个设计转速范围内的等熵效率得到了明显提高,而裕度与优化前相比略微提高。通过流场分析,其性能的改善主要源于叶片根部区域的激波前移和尾缘处附面层分离的减弱。     

采用几何方式组合壁面压力/马赫数分布的弯曲压缩面

根据给定壁面参数分布规律反设计压缩面的方法,通过几何方式组合研究了壁面采用压力/马赫数复合分布规律的弯曲压缩面,分析了压缩面的参数分布和性能特点.在与参考二维进气道相同约束条件下,将弯曲压缩面应用于二维进气道,分析了其性能并与参考二维进气道进行了对比.数值研究结果表明:几何方式组合能充分发挥壁面按单一参数设计所得弯曲压缩面的优势,使壁面参数分布得到有效改善并趋于更加合理.同参考二维进气道相比,几何方式组合进气道的外压缩面长度有所增加,但在来流马赫数在4~6范围内它的喉道总压恢复系数均得到显著提高.来流马赫数为6时,几何方式组合进气道的喉道总压恢复系数提高10%;来流马赫数为4时其喉道总压恢复系数提高9.6%.     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

多斜孔壁的非均匀孔排布优化设计及

为解决多斜孔壁应用于实际燃烧室时容易出现前端冷却效果较弱的问题,采用多斜孔非均匀孔排设计,对壁面前端的开孔分布规律进行了重点优化,采用数值模拟方法研究了不同孔排规律对冷却效果的影响.结果表明,非均匀孔排布设计可使流量分配规律得到优化,挖掘了壁面后端冷却气的冷却潜力,改善了壁面温度的均匀性,且控制在材料许用温度范围内;轴向温度梯度有所减小,同时冷却空气量明显减少;在开孔面积一定的前提下,采用增加孔数,减小孔径的方式能获得较佳的冷却效果.     

基于本征正交分解和代理模型的流场预测方法

 为了实现流场的快速求解,基于本征正交分解(POD)与代理模型提出了一种全新的流场预测方法。其基本原理为:首先采用本征正交分解将一定数量的样本流场分解为同等数量的基模态流场;然后用少数包含了绝大部分样本流场特征的基模态流场拟合所有的样本流场;最后用代理模型建立起决定样本流场的输入参数与拟合系数之间的近似函数关系。针对几何外形不同的二维翼型定常流场预测结果表明:在亚声速情况下,预测误差收敛的模态数量不超过20个,继续增加模态的使用数量不能明显提高预测精度;在跨声速情况下,预测误差收敛的模态数量为26个,当使用的模态数量达到前10个时,继续增加模态的使用数量能提高绝大部分流场区域的预测精度,但同时会在激波附近引入"噪声"激波特征而降低该区域的局部预测精度。在这两种情况下,预测流场所需时间均不到高精度计算流体力学(CFD)方法的1/200。