叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

台阶式篦齿封严特性试验与数值研究

本文在二维平面篦齿试验台的基础上,利用试验研究与数值计算相结合,对台阶篦齿进行了几何参数和气动参数影响下的篦齿流动特性研究。结果表明,流量系数随压比的增大而增大;在低雷诺数范围,流量系数随雷诺数的增大而增大,在高雷诺数范围,流量系数随雷诺数增大基本不变。齿数研究中,随着齿数增多,流量系数减小。齿顶间隙研究中,随着齿顶间隙的增大,流量系数减小。     

非恒定增压式微尺度拉瓦尔喷管流动特性

针对微尺度喷流在航天器运动状态切换时出现的非恒定增压变化,采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对阶跃式增压和线性式增压两种模式下的微尺度拉瓦尔喷管流场进行了模拟,并对其变化过程中的流动特性进行了对比分析。结果显示：阶跃式增压会导致流动特性出现较大幅值的峰谷式波动,而线性式增压下的流动特性则呈现出线性变化的特点;黏性力对微尺度喷流的非恒定增压变化产生了重要的黏滞作用,在喉部扩张段至出口的流场中尤为明显;在设定的条件下,阶跃式增压过程中喷流产生的总冲量较线性式增压高59.5%,质量流量高74.7%,单位工质提供的冲量低约8.6%,波动性也高于线性式模型,阶跃式增压适用于系统需要较大推力改变运动状态且推进剂充足的情况,而线性式增压在系统精确微调或需要推进剂产生更高效能时具有明显的优势。     

高压捕获翼构型跨声速流动特性初步研究

高压捕获翼是一种可以在高超声速条件下同时获得高升阻比、高容积率和高升力系数的新型布局概念。为初步分析该类新型布局的宽速域气动特性,以一种圆锥-圆台体组合高压捕获翼原理性构型为计算模型,以典型跨声速条件(马赫数0.92、0°攻角)为计算工况,进行了计算和分析。流场分析结果表明,在跨声速流动条件下,机体与高压捕获翼之间存在比较强烈的气动干扰,且干扰的强烈程度与高压捕获翼-机体间的垂向距离大小直接相关。与不带捕获翼的参考构型相比,增加捕获翼会导致机体尾部分离区范围增大,并在机体与捕获翼之间的开放通道内形成类似于变截面收缩管的流动,致使沿流向方向出现了明显的激波串,进而导致捕获翼下表面壁面压力出现较为明显的波动。同时,由于机体和捕获翼间的垂直距离沿展向方向逐渐增加,导致该波动在对称面附近最为剧烈,然后随展向位置逐渐增加,压力波动逐渐减弱。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明,气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响,未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境,造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测,首先,建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型,获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度,与NASA和JAXA试验结果对比,结果显示符合较好。其次,依靠激波管和发射光谱测量技术,开展典型进入条件的辐射强度测量试验,数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好,验证了光谱模型。最后,对探路者号进行气动辐射加热分析,完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算,基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化,表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异;基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布,结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同,进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小,同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

同轴旋转倒置圆台环隙间流动特性分析

针对同轴旋转倒置圆台环隙间流体复杂流动问题, 对其环隙间流动特性进行了实验研究。重点进行染色液流动显示实验和PIV流场测速实验, 对实验结果做定性及定量分析, 研究内筒转速和环隙宽度对环隙间流动特性的影响。染色液流动显示实验和PIV流场测速实验分别定性和定量地展现了环隙间螺旋涡的产生及变化过程。对不同内筒转速和环隙宽度下的螺旋涡涡心运动周期进行分析, 结果表明, 内筒转速升高, 周期减小;环隙宽度增大, 周期增大。运用瞬时流动和时均流场解析了环隙间螺旋涡运动产生机制, 探究内筒转速和环隙宽度对3种雷诺应力大小的影响与分布情况。内筒转速变化, 雷诺径向正应力始终最大;环隙宽度变化, 雷诺切应力始终最小。      

高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置

笔者在已研制的壁稳电弧等离子体发生器基础上,改进了阳极结构、加置Laval喷管,建立了一套可长期连续运行的高稳定性电弧等离子体超声速喷管流动装置,超声速电弧射流的不稳定度为1％(纯氩)和3％(氮氩),电弧射流具有很好的稳定性、再现性和对称性。测量表明：超声速电弧射流的电子温度沿流动方向呈现出波浪形周期升降的变化规律。     

梯形截面微管道内流场的PIV测量

利用micro-PIV系统测量了去离子水在水力直径为237μm,长度为31mm的梯形截面微管道内的流场结构,得到了不同雷诺数下沿流动方向不同位置微管道中间截面上的速度分布,并利用数值模拟方法计算了相应雷诺数下三维梯形截面微管道内的速度分布。实验结果和数值模拟结果显示实验中的梯形截面微管道内从层流到湍流的转捩发生在Re=1500～1800左右,实验中充分发展段长度Le。微管道水力直径Dk和雷诺数之间的关系可由公式Le／Dk=（0．08～0．085）船表示。     

二维多介质流动问题的界面处理方法

就二维可压缩多介质流动问题的数值模拟,给出了一种新的界面处理方法。通过在界面处构造Riemann问题,利用Riemann问题的解分别定义界面两边流体的边界条件,由于Riemann问题的解准确地描述了界面处流体的流动状态,因此得到了更加准确的界面边界条件。本文将由Riemann问题的解得到的界面速度外推到整个流场,重新定义速度场,避免了由于速度的大梯度变化而导致的Level—Set等值线相互交错,因而得到了更加精确的界面位置。利用该方法对水下激波与柱型气泡相互作用问题进行数值模拟,结果表明该方法能准确地捕捉各种物理现象。