计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

一种基于求解椭圆型方程的结构动网格生成方法

基于椭圆型网格生成法,实现了一种简单高效的贴体结构动网格生成方法,可用于具有移动边界问题的非定常流动数值模拟。该方法提出,在网格变形过程中,Poisson方程需要的控制网格间距和正交性的源项可以通过提取已知的静态网格源项直接得到,并在整个动网格生成过程中保持不变。因此,在椭圆型网格生成中需要通过外迭代确定源项的过程可以得到省略,而且该方法不需要人工指定参数。这使得方法具有高效和易于嵌入到已有程序中的特点。数值模拟结果证明,采用这种方法获得的网格能够较好地保持静态网格原有的正交性和光滑性,在相同迭代步数约束下,网格求解效率低于传统弹簧模拟法,但鲁棒性优于弹簧模拟法。     

用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型

通过对金属腐蚀T-H曲线和温湿谱的腐蚀损伤研究,找到一种用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型。这种计算金属日历寿命的模型,只要给出真实使用环境下的腐蚀T-H曲线和温湿谱,就可计算出金属真实使用日历寿命。通过对30CrMnSiA钢的日历寿命实例计算结果与真实环境下的腐蚀试验结果的比较得到,相对误差是17.5%,这说明该日历寿命计算模型和方法是有效的。     

金属任意腐蚀损伤量的日历寿命计算模型和曲线

国际机械日历寿命研究,都是在假设已知腐蚀损伤容限Dc的前提下,求在这个Dc下的金属日历寿命。为了便于应用,本文不再假设腐蚀损伤容限Dc为已知数,而是把Dc当做变量,求金属任意腐蚀损伤量Di的日历寿命。本文通过多方面深入研究,发现腐蚀试验溶液的浓度dt与试验时间Ht的乘积除以试验获得的腐蚀损伤Dt等于一个常数。由此给出一种简单易行的金属任意腐蚀损伤量日历寿命的计算模型和相应的求解曲线。由此模型或曲线,可求得金属任意腐蚀损伤量的日历寿命。     

航空发动机部件级模型实时性提高方法研究

基于大涵道比涡扇发动机部件级模型,从减少单次流路计算耗时和降低单步流路计算次数两方面研究提高模型实时性的方法。测试并分析了发动机各模块单步计算耗时,通过建立气体热力属性插值表,使模型单次流路计算耗时减少80%,在3.3GHz Intel CPU平台下模型单次流路计算耗时0.02ms,在168MHz STM32F407硬件平台下耗时1.55ms。研究了不同收敛残差对模型流路计算次数及仿真精度的影响。仿真结果表明:相比Newton-Raphson法,Broyden法流路计算次数更少;将迭代求解残差由0.0001调整至0.001或0.005,模型流路计算次数显著减少,低压转速仿真偏差在0.2%以内。     

双模态超燃冲压发动机最大供油模态计算方法研究

为了获得不同飞行状态下双模态超燃冲压发动机最大供油状态,在集总参数方程的双模态超燃冲压发动机性能计算模型基础上,通过分析双模态超燃冲压发动机堵塞边界条件及工作机理,发展了最大供油模态流量平衡的求解方法,并以此为基础建立了双模态超燃冲压发动机最大供油模态计算模型。给出某飞行条件下的最大供油模态迭代计算过程,并详细描述了其所表征的物理现象,其流量平衡计算精度达10~(-4),并在此基础上完成了不同飞行马赫数下的最大供油模态计算,获得相应的燃烧室最大供油量及隔离段/燃烧室沿程参数分布。结果表明,该计算方法可实现双模态超燃冲压发动机最大供油模态的流量平衡计算,并能精确地捕捉给定燃油分配形式下的燃烧室最大供油量。     

旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。     

弧齿锥齿轮齿面拓扑修形及加工参数计算

为了能够实现对齿面啮合性能的灵活控制,针对弧齿锥齿轮小轮提出一种齿面拓扑修形方法,即借助二阶曲面对齿面偏差拓扑的近似表达,将齿面拓扑修形分解为5个方向:螺旋角修正、压力角修正、齿长曲率修正、齿廓曲率修正及齿面挠率修正,通过改变5个方向的修形系数对小轮齿面拓扑结构进行自由控制。在此基础上,建立齿面偏差与机床加工参数之间的修正数学模型,通过构建敏感性矩阵并采用最小二乘法求解,反求出获得修形齿面的小轮加工参数,以便指导加工。以一对弧齿锥齿轮副为例进行修形啮合分析,仿真结果表明:选取齿长曲率修形系数为0.0001,齿廓曲率修形系数为0.0005,齿面挠率修形系数为0.0003,对齿面进行拓扑修形后传动误差幅值为-25.60″,接触迹线倾斜角度变为54.7°,相比原始结果啮合性能得到改善。滚检接触区与理论仿真结果一致,验证了修形方法的有效性。      

基于图论的燃油管路稳态流动计算方法

基于节点分析法,提出将局部损失并入相应管段的处理方法,推导阻力计算公式,从而得到兼顾沿程和局部损失的稳态流动计算方法。将该计算方法应用于实际的航空发动机燃油管路,采用VB.NET语言编写计算软件;同时,对燃油管路开展三维数值模拟计算。结果表明:局部损失对管路的流量分配影响较大;该计算方法得到的流量分配与数值计算结果趋势吻合很好,差别在±10%。      

单/双涵道模式转换动态过程的数值研究

为研究变循环发动机单/双涵道模式转换动态过程中流场参数的变化规律,基于本项目组设计的模拟模式转换过程的试验台,利用动网格技术对该试验台进行了二维数值模拟。结果表明:在模式转换动态过程中,内外涵流量和总压的变化滞后于阀门缓慢关闭的状态;并且阀门变化速率越快,其内涵总压和流量的动态响应越滞后;而静压的变化规律则相反。此外,还研究了在阀门关闭过程中,不同初始涵道比对这种流场参数变化滞后性的影响。发现初始涵道比越小,滞后性越强;并且这种滞后性在阀门关闭至22°位置时达到最大。