湍流燃烧模拟中化学反应的加速算法研究进展

为研究湍流燃烧数值模拟中化学反应机理计算的加速方法,讨论了动态自适应化学（Dynamic Adaptive Chemistry,DAC）方法和Krylov子空间近似的指数格式的应用情况。在湍流火焰大涡模拟中,使用DAC简化可以加速化学反应计算。然而,在并行燃烧数值模拟中,处理器核心的负载极度不平衡,加速效果有限。而Krylov子空间近似的指数格式的加速效果可以作用于每个处理器核心,更有利于整体计算效率的提高。在同等精度下,相比于隐式格式耦合DAC和MTS加速方法,Krylov子空间近似的指数积分格式对化学反应计算的加速效果更为显著。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换,得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布,在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大,相干结构的平均猝发周期也相应增加,说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术,提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形,发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低,雷诺应力表现为正负交替的波动现象。     

可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响,以及拓宽湍流场的强度和尺度范围,发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场,得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明:该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围,并能利用不同几何结构产生多种可控流场,实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构,利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术,开展了湍流燃烧实验,结果表明:湍流强度的增大（1 < u'/S_L,0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区,火焰面破碎程度明显增强,孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下,积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用,可能存在临界宏观雷诺数Re_c,能够表现流体惯性力占主导地位的程度,决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大,扰动能力强,故积分尺度越大,火焰体积越大;但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈,小尺度叠加在大尺度上的程度增强,最终也使火焰体积显著增大,掩盖了积分尺度对火焰体积的影响,说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。     

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。     

A Nonlinear Sub-grid Scale Model for Compressible Turbulent Flow

本文采用直接过滤的Navier-Stokes方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似,但仅保留级数的一阶导数项。这样产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,本文用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。本文根据Caylay-Hamilton定理导出了一个非线性亚格子模型,模型中包含的系数由动力学模式确定。与传统的动力学Smagorinsky模式相比,这种动力学非线性模型(DNM)稳定性更好,且不需要在统计均匀方向进行统计平均来计算模型系数,因此减少了计算开销。本文用这种非线性亚格子模型对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验值、计算值及理论值进行了对比。结果表明,本文模型可以有效地模拟可压缩湍流流场。     

亚跨声速边界层增长因子输运模式研究进展

基于线性稳定性理论的e^N方法是航空航天飞行器绕流转捩预测技术中可信度较高的一种。传统的线性稳定性理论的求解过程较为复杂,在复杂气动外形表面的推广阻力较大。随着近年来当地化转捩模式的快速发展,将传统线性稳定性理论的分析流程模式化,即将线性稳定性理论分析转化为一个CFD问题,成为研究热点。其核心思想是对层流相似性解进行大量的线性稳定性分析,然后获得扰动增长因子包络线与层流基本流特征变量之间的函数映射关系,再利用输运方程的积分特性构造对应扰动增长因子的输运模式。随后对模式中出现的非当地变量进行当地化求解,最终与湍流模式耦合形成新的转捩-湍流输运模式。经过验证,当前发展的流向N_TS输运模式与横流N_CF输运模式在广泛的算例验证中取得了较高的预测精度,但还存在需要改进和完善的地方。     

贴壁方柱湍流场TR—PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术（TR—PIV）,对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量。通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析,得到了时均速度场和流线图谱,以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场。此外,对脉动速度时序信号进行谱分析,得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率。通过对瞬态速度场的分析,揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程。     

零质量射流对翼型增升影响的数值模拟研究（下）

针对安装了激振器的NACA0012二维翼型,采用数值模拟的方式对零质量射流技术进行研究。流场解算器采用了我院计算所自主研发的ENSMBV1．2计算平台：计算结果给出了湍流模型对零质量射流数值模拟技术的影响,并且分析了激振器参数对翼型气动力特性的影响规律。     

闭链空间机械臂抓持载荷基于积分滑模的模糊自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统的动力学建模与控制问题.利用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法,分别建立了双臂空间机器人及抓持负载的动力学模型,并结合漂浮基空间机器人固有的线动量和角动量守恒动力学特性及闭合链约束几何关系,获得了抓持系统合成动力学方程.以此为基础,考虑到闭链双臂空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据模糊控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了系统参数不确定情况下该抓持系统基于积分滑模面的力/位置模糊自适应协调控制方案,从而达到对抓持负载位置与所受内力的双重控制效果.系统数值仿真证明了控制方案的有效性与精确性.     

一种基于承载效率准则的复合材料机翼结构布局优化方法(英文)

提出一种针对大型复合材料机翼结构的二级布局优化策略。系统级根据结构形变调整设计指标,子系统级优化结构布局以满足系统级约束。将机翼壁板中各种临界失效载荷的接近程度作为评判结构效率的标准,通过将结构效率作为优化目标,保证了所求解问题的连续性。加筋壁板通过等效的正交异性板模拟,并根据能量原理预测总体失稳载荷。讨论了加强筋支持弹性对于蒙皮抵抗局部失稳性能的影响,并通过神经网络代理模型对其进行逼近。采用解析模型对失效特性做出评估,减少了计算资源的占用。最后以一种大型机翼结构的综合优化作为算例,计算结果满足设计要求,验证了该方法的可行性。