三角翼大迎角绕流特性数值模拟的网格处理技术研究

研究网格对三角翼大迎角绕流特性数值模拟的影响.结果表明,网格的生成需要结合流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,法向网格在一定范围内应等距增长,沿流向逆压梯度较大的区域内适当增加网格点,尾迹区网格则应做上翘处理.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.利用层流假设的N-S方程,通过合适的网格,也可得到满意的计算结果,但对涡破裂后的强烈非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

跨声速机翼抖振初始迎角N-S方程定常计算分析

 应用代数法和椭圆型方程优化相结合的方法生成翼身组合体块结构网格。采用有限体积空间离散法和五步Runge-Kutta显式时间推进法求解N-S方程。基于雷诺平均N-S（RANS）方程,选用Spalart-Allmaras（SA）一方程模型模拟紊流。根据N-S方程定常计算结果,采用升力曲线、俯仰力矩曲线、后缘压力发散、跨声速激波位置以及机翼表面极限流线等几种判据,对跨声速机翼的抖振初始迎角进行了合理的预测分析。     

火箭弹自力弹射低压室流场特性数值分析

火箭弹自力弹射离筒前尾焰一直被限制在低压室内,为弹体提供附加的发射动力,但也导致发动机工作过程中的背压较高,使其燃气流场特性不同于自力发射.为研究火箭弹自力弹射过程中低压室内复杂的燃气流动特性,以二维轴对称N?S方程为基础,建立了自力弹射低压室燃气流场的计算模型.利用建立的计算模型对超声速冲击射流试验进行了仿真,得到的...     

基于虚拟慢时间的双基地ISAR成像算法

针对双基地角时变引起的逆合孔径雷达（ISAR）图像畸变和散焦问题，提出了一种基于虚拟慢时间的成像算法。首先，分析了双基地角时变对ISAR成像的影响机理。然后，基于图像对比度最大准则估计等效旋转中心位置，完成初次相位补偿。最后，通过虚拟慢时间构建基于非均匀虚拟采样的补偿系数矩阵，并通过方位向非均匀傅里叶变换得到目标的ISAR像。算法基于图像对比度最大准则解决等效旋转中心位置估计问题，通过虚拟慢时间消除转动相位项的高次项影响，利用非均匀傅里叶变换解决随机虚拟采样的谱估计问题。理论分析和仿真结果验证了算法的有效性和鲁棒性。     

基于光学几何测量的整体叶盘几何失谐建模与辨识

通过光学几何测量技术获取精确的叶片型面差异化信息（即几何失谐）建立整体叶盘的高保真动力学模型的方法，并进一步开展整体叶盘几何失谐辨识的研究。采用先进的三维结构蓝光扫描系统测量构建精确的叶片几何型面点云模型，然后采用网格变形技术，将谐调叶片有限元模型的表面节点自动投射至实测的点云表面，以回避传统逆向工程的实体模型重建环节，从而实现整体叶盘高保真动力学模型的快速构建。该模型可直接用于量化识别叶片几何失谐对其固有频率和振型的影响，其中各叶片“一弯”频率失谐量在2.1%以内，同时可以精确比对各叶片间的模态置信因子，因此可大幅提高整体叶盘建模和动力学仿真分析的准确性。     

三棱柱尺度比对尾流场的影响

应用粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)对不同柱体截面尺度比H (H=3.8、1.9、1.2、0.9、0.7)的三棱柱在雷诺数Re=500条件下的尾流场进行定量测量。对尾流场进行定常和非定常分析,同时结合本征正交分解法和时间空间关联法,研究尺度比H对尾流场相干结构以及尾流场中涡街稳定运输区和涡街流向运输速率的影响。研究发现,三棱柱尺度比H的减小对尾流宽度、尾涡形成长度都有明显的促进作用,但旋涡脱落变慢,非定常性变弱。分析各阶模态对湍动能的贡献,发现随着尺度比H的减小,高阶模态湍动能占比之和有所增加。这就导致尾流场愈加不稳定,涡街稳定运输区域、涡街流向输运速率均减小。同时尾流宽度增大,尾流场阻力系数CD增大。     

适用于非定常流模拟的分布式并行GMRES方法

为提高计算流体力学方法的收敛性和对高性能并行计算机的适应性,发展了适用于非定常流模拟的GMRES并行全隐式方法,并开展了相应的收敛和并行特性研究。采用变子空间数GMRES方法,减小重启过程计算时间;通过分区并行和Hybrid LU-SGS预处理算子实现方法的分布式并行化;采用鲁棒的Negative-SA湍流模型获得更大CFL数,采取计算和存储雅可比矩阵、网格重排序方法提高计算效率。利用这套方法完成了平面流、NACA0012翼型扰流、翼身组合体扰流、F-16战斗机非定常气动弹性和旋翼前飞流场的数值模拟。结果表明其计算效率较LU-SGS方法提高20%～200%;适用于当代高性能计算机分布式并行结构,并行效率非常高,在240个计算核心上出现了加速比的超线性。     

非结构CFD软件MPI+OpenMP混合并行及超大规模非定常并行计算的应用

常规工程应用中，非定常数值模拟（如多体分离）的计算量十分巨大，如果为了达到更高的计算精度，加密网格或者采用高精度方法将会使得计算量进一步增大，导致非定常数值模拟在CFD工程应用中成为十分耗时和昂贵的工作，因此，提高非定常数值模拟的可扩展性和计算效率十分必要。为充分发挥既有分布内存又有共享内存的多核处理器的性能和效率优势，对作者团队开发的非结构网格二阶精度有限体积CFD软件（HyperFLOW）进行了混合并行改造，在计算节点间采用MPI消息传递机制，在节点内采用OpenMP共享内存的MPI+OpenMP混合并行策略。首先分别实现了两种粒度（粗粒度和细粒度）的混合并行，并基于国产in-house集群采用CRM标模（约4 000万网格单元）定常湍流算例对两种混合并行模式进行了测试和比较。结果表明，粗粒度在进程数和分区数较少的小规模并行时具有效率优势，16线程时效率较高；而细粒度混合并行在大规模并行计算时具有优势，8线程时效率较高。其次，验证了混合并行在非定常计算情况下的可扩展性，采用机翼外挂物投放标模算例，分别生成3.6亿和28.8亿非结构重叠网格，采用对等的（P2P）网格读入模式和优化的重叠网格隐式装配策略，网格读入和重叠网格装配耗时仅需数十秒；采用3.6亿网格，完成了非定常状态效率测试及非定常分离过程的湍流流场计算，在in-house集群上12 288核并行效率达到90%（以768核为基准），在天河2号上12 288核并行效率达到70%（以384核为基准），数值模拟结果与试验结果符合良好。最后，在in-house集群上采用28.8亿非结构重叠网格进行了4.9万核的并行效率测试，结果显示，4.9万核并行效率达到55.3%（以4 096核为基准）。     

配置点谱方法求解非均匀介质内辐射传热问题

发动机内的燃气等高温介质随着组分和浓度的变化，会引起折射率在空间上的非均匀分布，从而导致辐射能束沿着曲线传播，其相应的辐射传热过程也更为复杂。为了避免射线追踪方法的复杂计算、提高计算效率，本文提出了配置点谱方法求解二维非均匀介质内辐射传热问题。在求解过程中，角向采用离散坐标法处理，空间采用配置点谱方法处理。通过将三种非均匀介质内辐射传热问题的配置点谱方法结果与文献结果进行对比分析，发现配置点谱方法可以在较少的节点数下，获得准确、有效地计算结果。并且，采用配置点谱方法求解三种算例的计算时间均消耗较少，均在20分钟以内。这将为进一步开展发动机复杂结构内高温燃气辐射快速仿真提供基础。