比熵增概念及其在湍流模型中的应用

通过对不同马赫数下(Ma=0.7、2.25、6)平板边界层进行直接数值模拟研究,提出比熵增的概念.比熵增表征单位机械能的耗散,并且在数值上表现出较好的单调性和马赫数无关性,因而能够可靠地表征边界层的范围.应用比熵增概念修正BL零方程湍流模型长度尺度,构造BL-entropy,同时采用原始的BL模型,SA一方程模型对后台阶(Ma=0.128)以及高超声速锥柱裙组合体(Ma=7.05)流动进行数值模拟,并与实验数据进行比较,结果表明BL-entropy能够准确地获取长度尺度进而得到均匀合理的涡粘性分布,极大地提升了原始BL模型模拟复杂流动的能力.     

基于FFD技术的大型运输机上翘后体气动优化设计

利用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由变形(FFD)参数化方法,进一步结合无限插值(TFI)变形网格技术、二阶振荡粒子群优化(PSO)算法以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术,构建了通用的气动外形优化设计系统.采用该系统对C17运输机上翘后体进行气动优化设计,在满足后体最大宽度、高度以及上翘角不减小的情况下,巡航状态减阻2.6％,压差阻力减小19.8％.流态分析显示,优化后体阻力减小的主要原因是后体截面近圆度的增加以及近圆度沿机身轴线的变化量的减小使得后体周向逆压梯度减小所致.研究结果表明本文建立的基于FFD技术的气动优化设计系统对于大型运输机上翘后体的气动优化设计具有较好的实用性.     

减速器内部金属屑运动仿真分析

为掌握因轴承磨损产生的金属屑在直升机中间减速器内部流场中的运动状态,针对其固-液-气三相流特征建立了金属屑颗粒受力平衡方程和多相流模型-离散相模型（VOF-DPM）耦合的CFD仿真模型。基于离散相运动方程编程计算及采用CFD仿真分析方法获得了减速器内部颗粒的运动轨迹、运动速度,并据此对比验证了VOF-DPM耦合模型的正确性;利用CFD仿真分析了颗粒在流体中运动时各种附加力对颗粒运动轨迹的影响,探究连续相空气、滑油与离散相颗粒三者之间的相互作用机理。结果表明：连续相和离散相耦合作用对颗粒运动的影响较小,轨迹误差约5%、速度误差约3%,可忽略不计;虚质量力、压力梯度力和Magnus升力对颗粒运动轨迹影响较大,Saffman升力对颗粒运动轨迹影响较小,而热泳力与布朗力不适用于直升机中间减速器固-液-气三相流情形。     

气流掺混的数值模拟

采用显式的TVD MacCormack格式的时间分裂形式求解了平板上横流流场的二维N-S方程和组分输运方程,得到了流场中气体超音速流动和混合的结构图谱.为了获得对近壁附面层分离较好的模拟效果,采用了Lam和Bremhorst的低雷诺数ｋ-ε模型来模拟流动中的湍流粘性.计算结果表明,该方法可以用来求解横流流场中的气流掺混问题.     

复杂外形网格生成技术及应用

以某型双立尾战斗机为例,给出了实际复杂型号飞行器结构网格生成的一种分块方案及实现过程,用一种矢性三次多项式插值的方法生成相邻块公共交界面的网格,用Hilgenstock方法修正源项,求解椭圆型方程生成块内空间网格,使网格线与边界面夹角、与边界面间距控制为期望的值.在所生成的双立尾战斗机分块结构网格中求解Euler方程,获得了合理的全机气动力系数、翼面压力分布和绕流图谱结果.     

初始电流片长宽比对非对称多重X线重联的影响

采用可压缩电阻性磁流体力学模型,研究了初始电流片的长宽比${L_x}$对非对称多重X线磁场重联的影响。研究结果发现,当${L_x}$超过一定的阈值时,非对称磁场重联的演化过程中将伴有多重X线重联发生。进一步地研究结果表明,当${L_x}$越大,多重X线重联就越容易出现,相同时间间隔内所诱发的次级磁岛的尺寸也随之相应变大,不仅如此,次级磁岛的尺寸占整个模拟尺寸的比例也有所增大。对于${L_x}$比较大的情形,当非对称多重X线磁场重联发展到一定程度后,非对称多重X线磁场重联的重联点基本不随时间变化,并且所诱发的大尺度次级磁岛的大小也基本稳定,该结论与Magnetospheric Multiscale （MMS） 观测现象一致。因此这些结果可以用来解释一些卫星观测现象,尤其对空间物理中有关次级磁重联产生的多重X重联的观测有一定指导作用。     

基于虚网格的格心ADT搜索法

针对重叠网格寻点问题,提出了一种直接在格心网格下操作,基于虚网格的ADT(Alternating Digital Tree)搜索方法.通过对计算网格进行扩展,建立虚边界网格,解决了格心网格因覆盖区域不完整而无法直接建立ADT数据结构的问题.搜索结果即为包含解的格心单元集合,可直接对结果列表遍历以得到合理贡献单元,故完全摒弃了可靠性差的Stencil Walk方法.由虚网格的定义,使寻点在边界附近的处理更为灵活,可以准确给出边界附近贡献单元的有效信息,同时简化了虚网格体系的构建.扩展了重叠边界类型,构建的搜索空间能完整覆盖网格范围,解决了对称面重叠问题.算例研究表明:该方法可靠性好,边界处理能力强,有效提高了重叠网格方法对大型复杂网格的解算能力.     

计算网格对气动力气动热数值模拟影响的研究

以二维圆柱钝头超声速流场为研究对象,应用计算流体力学方法研究了计算网格在气动力及气动热数值模拟中的影响.计算程序中对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果表明,壁面法向第一层网格间距、网格长宽比以及扩张度等因素都会对壁面摩阻、热流的计算产生影响,尤其是壁面法向第一层网格间距影响最为突出.边界层的计算结果与实验数据进行了仔细对比,包括壁面压力分布,摩阻系数Cf分布,斯坦顿数St分布等.高马赫数滞止气流导致壁面附近产生巨大速度梯度以及温度梯度,这些梯度的准确计算需要合适的壁面法向第一层网格间距以及合理的网格长宽比、扩张度.     

分层嵌套重叠网格自适应树结构动态组装方法

采用重叠网格可以有效地进行复杂流动的大规模数值模拟,特别是包含运动部件(如旋翼、投弹)的动态模拟。本文将树结构的自适应直角网格用于重叠网格组装过程中的切割和贡献单元的搜索,大大加快重叠网格的组装速度。通过二叉树自适应直角网格对物体外形进行离散,实现切割过程的快速定位;采用八叉树自适应直角网格对流场区域进行离散,高效地搜索贡献单元。使用基于壁面距离准则的重叠区域最小化方法和分层嵌套重叠策略,能提高重叠网格组装的效率和质量。对于具有运动部件的动态重叠网格问题,采用多个二/八叉树减少组装过程中信息更新的冗余计算,从而大幅度减少重叠网格组装的时间消耗。实际算例的重叠网格组装结果说明本文发展的重叠网格组装方法具有很高的计算效率,可以满足运动边界复杂流动问题的动态计算要求。     

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。