高超声速流动CFD并行计算研究

并行计算是CFD技术发展的必然趋势。本文从高超声速流动的特点出发,研究多分区结构网格下CFD并行计算方法,重点解决了区域之间流场信息的数据交换问题和边界处理问题,以保证流场的连续性。本文采用有限体积法求解高超声速流场,空间离散格式为Osher-Chakravarthy TVD格式,利用MPI消息传递模式完成数据交换,在自主搭建的PC集群上进行算例考核,验证了算法的可行性和正确性。

基于结构网格的高超声速流动大规模并行数值模拟研究

本文采用MPI消息传递模式自主开发出适用于高超声速流动数值模拟的并行计算软件,该软件以三维Navier-Stokes方程为基本控制方程来求解层流问题,应用基于结构网格的有限体积法对计算域进行离散,采用AUSMPW+格式求解对流通量,利用MUSCL插值方法获得高阶精度,时间格式上采用LU-SGS方法进行时间迭代以加快求解定常流动的收敛过程。在高性能计算机上针对不同高超声速流动进行大规模并行计算的结果表明,所开发的CFD并行计算软件具有较高的并行计算效率,为高超声速飞行器气动力/热的准确预测提供了高效工具。

高超声速二维进气道参数化设计方法初探

通过高超声速二维进气道流动与几何参数制约关系分析和参数敏感性分析,确定了能够对二维进气道进行参数化设计的5个基本几何控制参数,初步建立了高超声速二维进气道的参数化设计方法.结果表明该方法选择的基本参数能够敏感地反映进气道的关键性能和尺寸,为二维进气道型面优化设计提供了切实可行的途径.

MHD数值模拟中清除伪磁场散度方法

针对全MHD(Magnetohydrodynamics)数值模拟中存在伪磁场散度的问题,发展了如下计算方法:基本格式基于八波对称形式方程组,补充相关源项以保持方程组守恒性,并采用投影方法辅助清除伪散度.投影方法中,基于有限体积方法求解三维Poisson方程.算例显示,对于光滑解析磁场,伪磁场散度得到有效清除;对于带激波高超声速MHD流动,全局投影下自由来流区域误差增大.提出一种局部投影方法,在高磁场散度区域进行投影.结果表明,最终流场收敛稳定,高磁场散度得到有效清除,而低散度区域散度不受影响.

CFD差分格式及限制器计算对比分析

差分格式是计算流体力学中最为核心的因素,一直是CFD发展的主线。为了分析比较各种差分格式和限制器,以激波管Riemann问题为算例,应用八种差分格式和五种限制器进行了计算分析,对比了各种格式对于膨胀波、激波及接触间断的分辨率,讨论了中心型和迎风型格式的粘性机理和优劣,比较了各类限制器的压缩性和耗散性。研究表明,各类差分格式对间断和粘性的处理,是提高格式精度和判别格式优劣的关键。采用MUSCL方法插值时,应权衡压缩性和耗散性,合理选择限制器。各类格式通过与MUSCL高阶插值方法相结合,可以有效提高的计算效率和计算精度。

基于响应面方法的高超声速飞行器一体化布局气动设计与优化

建立了高超声速飞行器机体/推进系统一体化三维构型参数化模型,利用CFD数值计算开展了构型气动力的高精度数值试验并以此为基础建立了气动力响应面近似模型,以响应面近似模型作为气动力预测方法,结合遗传算法进行了高超声速飞行器三维构型的气动优化设计,获得了不同优化目标下的优化外形。

一组不同内收缩比二维进气道唇口开启过程实验研究

设计了小型直联式实验台,模拟来流马赫数5.3,对一组具有不同内收缩比的二维进气道唇口开启过程及其特性开展了实验研究。进气道唇口的角度位置和隔离段高度均可调节,由此实现进气道不同内收缩比要求。通过分析进气道底板壁面压力分布,总结了进气道开启过程特性及其影响因素。

磁流体动力学控制二维扩压器流场数值模拟研究

对常规扩压器进行了简介并作机理分析。用小磁雷诺数假设下基于Favre质量平均的全Navier-Stokes方程来求解外加电磁场的超声速扩压器流场。与常规扩压器比较可以发现,选用适当的外加电磁场组合可以使流动在更短的距离内实现减速扩压,并将部分动能转化为电能。研究表明:仅添加一定外磁场时,第一道激波位置、第二道激波位置、激波串长度分别为无外加电磁场情况的62.19%,77.74%和50.18%。

高超声速飞行器前体外形设计与气动特性分析

利用数值计算开展了高超声速飞行器前体气动特性的考察,重点研究了三维效应对于前体流场及预压缩性能的影响,提出了抑制三维侧缘溢流影响、改善三维前体气动性能的前体侧缘设计思想,考察了侧缘外形的容积效率,提出了有效容积效率的概念和评估方法,对于不同侧缘形式的前体构型进行了气动特性的考察,给出了不同前体构型气动特征的变化规律。

并行计算在高超声速流场数值模拟中的应用

采用计算流体力学方法,对高超声速流场进行了多区并行计算研究。基于MPI消息传递库采用Fortran语言编制了CFD并行计算程序,对NS方程采用AUSMPW+格式和LU-SGS方法求解。针对流场采用多区剖分,将每一个子区分配给相应节点进行计算。每一迭代步,相邻子区域间交换边界数据。计算表明,本文所建立的程序和方法是可行的,能够进一步延伸到大规模并行计算和工程应用中。

具有乘波侧缘的高超声速飞行器气动外形设计

为了保持高超声速发动机流道构形,利用锥导乘波构形设计方法设计乘波侧缘与中心流道一体化构形构成高超声速飞行器基本构形,对设计构形的乘波特征进行了数值验证,利用乘波构形在高马赫数下的过渡乘波特性,采用变马赫数设计,设计了不同的乘波侧缘与中心流道一体化构形,研究表明通过该方法可以快捷的获得完全乘波的构形作为高超声速飞行器一体化构形。

任意多边形的非结构网格快速生成算法研究

对于包含大尺度运动边界的CFD数值模拟,网格重构是其中的关键,快速稳定的网格生成技术是其中的重要组成部分。建立了基于有向边的适用于任意多边形的快速三角初始化算法;证明了最长边剖分网格细化算法在一定条件下发散,并结合Delaunay边交换技术使细化算法封闭;建立了基于顶点弹簧理论的网格优化方法,以提高网格生成的质量。结果表明,算法具有较好的鲁棒性和高效性。

高超声速流动计算中LU-SGS隐式算法的应用

在高超声速条件下,对原始LU-SGS格式及其改进方法的收敛速度做了深入的比较分析,目的是进一步更好地将LU-SGS算法用于工程上复杂外形的计算模拟中。二维圆柱,三维钝锥及空天飞机算例的结果表明:对于高超声速粘性流动的计算,粘性项应进行隐式处理;BLU-SGS方法给出的内迭代方式的收敛性优于DP-LUR方法所给出的内迭代方式;LU-SGS算法中雅克比系数矩阵的计算方式对计算量及收敛性影响较大,若采用精确的矩阵形式,则在流动无分离情况下能取得快速收敛的效果,而在含有流动分离的情况,因受稳定性的影响,精确的矩阵形式的收敛表现不及对角近似形式。

内转式进气道自起动性能研究

为了研究内转式进气道的自起动性能以及下壁面泄流对自起动的影响规律,开展了数值计算和风洞实验,数值计算采用准定常的方法,风洞实验通过阴影录像以及下壁面丝线显示相结合的方法确定进气道的起动状态。结果表明Ma5、攻角0°时进气道不能自起动,下壁面存在大范围的三维流动分离,流动损失严重。为了提高进气道的自起动能力,在下壁面距前缘400mm位置开孔泄流,开孔区域约100mm×40mm,开孔率0.2,实验模型孔径3mm;研究表明,泄流后进气道顺利自起动,总压恢复系数提高了0.25,泄流量损失仅为捕获流量的1%。进一步数值研究表明,泄流构型在攻角0°时的自起动马赫数在4.3～4.4,泄流极大地拓宽了进气道的工作范围。

密切曲面锥导乘波体的设计与理论分析

将密切锥导乘波体技术应用于一般曲面锥流场,以期获得升阻比、容积率更高的密切曲面锥导乘波体。首先,设定不同乘波体后缘激波型线,在两种代表性曲面锥流场内,生成了四种乘波体构型,利用数值方法验证乘波体设计方法可行性;然后构造了三类典型单一控制变量的曲面锥流场,对比分析了对应密切曲面锥导乘波体性能变化规律。研究表明:(1)密切曲面锥导乘波体流面压力分布、后缘激波型线与理论设计吻合,关键位置压力与理论值相对偏差约1%,说明利用密切技术在曲面锥流场中“截取”乘波体的方法是可行的。(2)曲面锥流场控制参数不同,可获得升阻系数、容积率、压缩量增加,升阻比降低的乘波体,也可获得升阻比、容积率增加,升阻系数降低的乘波体。

气动热数值模拟中的网格相关性及收敛

针对气动热数值模拟中的网格相关性和收敛问题,采用计算流体力学(CFD)计算方法,以典型的钝头为算例,进行了数值模拟研究。研究结果表明:网格是气动热数值模拟中的关键因素,壁面附近法向网格间距最为敏感,热流结果随网格间距不同会出现数倍乃至数量级的差异,在得出正确的壁面压力结果的网格上不能保证得到正确的热流结果。分析认为壁面附近客观存在的巨大温度梯度是网格要求敏感的原因。计算表明:气动热计算的收敛过程比压力和流场收敛慢得多;在压力和流场完全收敛时,热流与最终的迭代收敛值偏差达20%以上;以方程残值的下降量级和压力收敛作为热流收敛的判别标准是不合适的。在气动热计算中,应直接观察热流数据的收敛,确保得到真正的收敛解。

超燃冲压发动机唇口气动热计算研究与分析

采用数值模拟方法,对超燃冲压发动机进气道唇口的气动热进行了计算和分析.依据唇口与前体激波所处相对位置的不同,分三种情形进行了计算研究.结果表明,三种情形下,进气道前缘驻点热流均大于头部.通过算例验证,证明该方法和结论的正确性.研究表明,激波干扰以及前体激波压缩后超声速来流使唇口热流增大,热防护和结构设计时应当予以充分考虑.

光学窗口凹腔流场的光学传输效应研究

当带有光学成像探测制导系统的高速飞行器在大气层内飞行时,光学窗口与来流之间会形成复杂的凹腔绕流流场,产生气动光学效应。建立了求解超声速流场的高精度LES/RANS混合算法模型,研究了超声速流动条件下的Settles三维凹腔流动;在计算得到精确流场数据的基础上,研究了凹腔剪切层区域的光学传输效应。结果表明,凹腔流动的剪切层结构将引起光线抖动,导致严重的波面畸变,明显降低光强斯特雷尔(Strehl)比,严重影响光学传输性能,进而大大降低光学制导精度。

高速气动数值模拟的分区并行计算方法

本文采用CFD方法,对高超声速流场进行了多区并行计算研究。基于MPI消息传递库采用Fortran语言编制了CFD分区并行计算程序。针对流场采用多区剖分,将每一个子区分配给相应节点进行计算。每一迭代步,相邻子区域间交换边界数据。在自主搭建的PC集群式并行系统和高性能集群系统上进行了算例考核,验证了算法的可行性和正确性。计算表明,本文所建立的程序和方法是可行的,能够进一步延伸到大规模并行计算和工程应用中。