高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

考虑泄漏间隙有压流体作用的指尖密封瞬态性能分析

针对已有指尖密封性能分析工作中未考虑泄漏间隙有压流体作用使得指尖密封的理论分析与工程实际有较明显差距的问题,建立了考虑泄漏间隙中有压流体作用的指尖密封性能分析模型,对是否考虑泄漏间隙中有压流体作用的指尖密封性能差异进行了比较分析.研究结果表明:指尖密封性能分析工作需要考虑泄漏间隙有压流体的作用.考虑泄漏间隙有压流体作用指尖密封的泄漏率较不考虑有压流体作用的泄漏率最大增加了234.7%,且有压流体作用使指尖密封泄漏率随转速增加的趋势更加显著.      

基于有限元法的输液管路稳定性可靠性研究

为分析航空发动机空间管路系统的稳定性可靠性问题,提出了一种采用有限元法和蒙特卡洛法相结合的分析方法。方法中采用有限元法建立空间管路系统流固耦合模型,定义了稳定性失稳的极限状态函数,采用蒙特卡洛法进行稳定性可靠度计算。典型工程算例的计算结果表明:给定流体流速的均值,发散失稳的概率随流体流速的变异系数可能增加或减小;给定流体流速的变异系数,随流体流速均值的增加,管路系统稳定性极限状态函数由服从连续概率密度函数变为服从混合概率密度函数。研究结果对于航空发动机输液管路的稳定性可靠性设计和评估具有参考价值。      

不同类型多级等离子体激励器诱导气流的力学特性研究

等离子体激励器通过产生的等离子加速气流,可以实现对流动的控制。单级等离子体激励器由于受到等离子体放电的物理限制,其控制作用较小;为了提高等离子体流动控制的效果,关于多级等离子体激励器的研究得到发展。采用图像采集和粒子示踪测速系统(PIV),对传统多级等离子体激励器和多级双极性等离子体激励器的放电现象以及气流加速进行研究,并通过流场速度分布计算等离子体激励器对空气产生的推力和吸力。结果表明:随着电压的升高,传统多级等离子体激励器产生的推力和吸力会逐渐减弱;而多级双极性等离子体激励器产生的推力和吸力均呈逐渐增强的趋势。     

垂直/短矩起降飞机机翼内埋式风扇布局气动特性分析

以垂直/短距起降飞机过渡飞行状态为背景,针对机翼内埋式风扇布局的自由来流/风扇喷流混合型流动,基于结构/非结构混合网格使用CFD方法进行了非定常数值模拟和分析.首先使用滑移网格技术对NASA涵道螺旋桨进行算例验证,其时均计算结果与实验值的误差为5.3%,证明了计算方法的可靠性和准确性,然后数值模拟了机翼内埋式风扇布局在不同迎角下的气动性能.结果表明:风扇喷流在机翼上产生了特有的“抽吸”和“堵塞”效应,引起了机翼总升阻力的显著增加,升力最大增量达到干净机翼升力的2.6倍,阻力最大增量为干净机翼阻力的3.2倍,混合流场在机翼后缘引起了升力损失并卷起对涡.      

固体火箭发动机流体喉部推力矢量特性

针对采用水作为二次流工质的流体喉部进行了冷流实验及数值模拟研究.研究了该种固体火箭发动机流体喉部的一般规律,包括不同二次流射流方式,不同二次流流量下流体喉部的扼流性能,推力偏角及推力效率,数值模拟及实验结果吻合较好.结果表明:扼流性能与二次流的注射位置、注射角度及流量比有关,且随二次流/主流流量比的增大而增大.喉部二次流喷射能有效的调节有效喉部面积进而调节推力大小,当流量比为0.4时,最大有效喉部面积比为0.8;扩张段二次流喷射能有效调节推力方向,当流量比为0.4时,最大推力偏角为20°;喉部二次流与扩张段二次流入射位置存在相位差可有效降低喉部与扩张段二次流干扰.      

几种流体壁面剪切力测压管的性能研究

对四种壁画型流体剪切力测量差压计Ｓｔａｎｔｏｎ管，Ｋ型管，穴型管，及微孔表面差压管在湍流边界层条件下进行试验并对其结构特点进行比较后表明，这四种差压计具有相同的特征，所测量的区差均为流量动量变化所致，其流体剪切力可以表示为τ＝Ｃ△Ｐ￣ｎ，为避免对标定数据过于繁复的多段拟会，并使差压计能在较大测量范围内保持拟合公式的精度，各类差压管在与固体壁画铅垂方向上的尺度值应尽量低，微孔表面差压管结构复杂，灵敏度低，但它具有线性特性。     

粘性流体大幅晃动的ALE有限元模拟

采用有限元法数值求解了具有自由液面大幅移动边界的Navier－Stokes方程。对流体区域采用了任意的拉洛朗一欧拉（ALE）运动学描述，网格结点可以任意移动而不依赖于流体的运动，结合了拉格朗目描述易于处理移动边界与区域变形的优点和欧拉描述可克服单元缠结的优点，提出了简单合理的网格更新方法，能精确地跟踪运动的自由液面。为了更精确地处理强对流项的作用，采用了迎风流线Petrov－Galerkin（SUPG）加权余量法建立有限元方程。算例表明本方法对贮箱内流体的非稳态大幅晃动过程的数值模拟非常成功。     

旋转直管流场的数值模拟

根据旋转坐标系下的 Favre平均 NS方程以及旋转条件下的流动特征 ,修改了 B/ L湍流模型 ,并提出了一种旋转条件下出口边界压力分布的给定方法 ,对已有的 NAPA通用湍流计算软件进行了改进和发展 ,并计算了旋转直管中的流动。通过与实验数据的比较 ,文中的计算结果与实验结果吻合较好 ,正确反映了流动特征和物理现象 ,验证了修改后的 NAPA软件的可靠性。     

低速高湍流度90°弯管流动数值模拟

分析了曲率对弯曲管道流动的影响 ,给出了曲率修正的双层 k-ε湍流模型 ,并数值模拟了非均匀来流低速高湍流度 90°弯管内流动。文中比较了曲率修正双层 k- ε湍流模型的计算结果与实验结果 ,以及双层 k- ε湍流模型和逆压力梯度修正双层 k- ε湍流模型的计算结果。通过比较 ,发现经过曲率修正后的双层 k- ε湍流模型更好地模拟了非均匀来流低速高湍流度 90°弯管内流动。同时比较了壁面参数的插值方法 ,发现在弯曲管道流动模拟中对壁面参数进行一阶插值比零阶插值能更好地模拟真实流场