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高超高焓非平衡流动数值模拟方法研究综述
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作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期561-591,共31页
高性能计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证,在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用.本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方... 高性能计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证,在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用.本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展,概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势,最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题.(1)在热化学模型方面,常用温度模型并不完全精确,多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限,态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟,更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型,值得深入研究;(2)在数值方法方面,多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势,对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求,值得重点关注和研究,此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造,RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证;(3)在数值软件方面,基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求,未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能,且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求;(4)可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率,计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题,刚性消除方法仍需进一步研究和发展. 展开更多
关键词 高超声速 热化学非平衡 高焓 计算流体力学(CFD) 计算刚性
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超声速可压缩火焰面模型的研究进展
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作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第4期651-659,I0001,共10页
火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面... 火焰面类模型最初是针对低速流动提出的湍流燃烧模型,本文针对其向超声速可压缩流动的推广研究进行了综述。对于火焰面模型,其数据库建立时环境压强为常数以及静焓与混合分数线性关系的假设在超声速流动中均不适用。数值实验发现:一方面,数据库中主要组分浓度对于环境压强的变化并不敏感,但中间产物浓度在不同压强下变化明显;另一方面,静焓与混合分数偏离线性关系这一因素所引起的火焰面模型获得的温度场差别很小。对于火焰面/进度变量模型,其数据库中进度变量的化学反应源项对于压强和静焓-混合分数关系的变化则很敏感,现有考虑这一影响的可压缩修正主要是通过针对利用未经修正的数据库PDF积分后的平均源项进行标度来实现。数值结果表明,可压缩标度方法可有效考虑高马赫数效应对进度变量源项的影响,从而改善火焰面/进度变量模型对超声速燃烧流动的模拟精度。 展开更多
关键词 超声速燃烧 火焰面模型 火焰面/进度变量模型 可压缩修正
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湍流边界层与高温气体效应耦合的直接数值模拟 被引量:10
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作者 吴正园 莫凡 +2 位作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第6期1111-1119,1128,I0003,共11页
针对高超声速湍流边界层开展了直接数值模拟研究,对高温气体效应与湍流的耦合作用机理进行了分析。研究表明,高温气体效应使边界层内平均温度显著降低,平均密度显著升高。对于湍流脉动量,高温气体效应对温度脉动有较强的抑制作用,而对... 针对高超声速湍流边界层开展了直接数值模拟研究,对高温气体效应与湍流的耦合作用机理进行了分析。研究表明,高温气体效应使边界层内平均温度显著降低,平均密度显著升高。对于湍流脉动量,高温气体效应对温度脉动有较强的抑制作用,而对流向及壁面法向速度脉动和密度脉动的影响趋势在近壁面区域和边界层外层是相反的。在近壁面区域,流向和壁面法向速度脉动和密度脉动都被增强,而在边界层外层,高温气体效应则会抑制该速度脉动和密度脉动。在整个边界层内,高温气体效应使展向速度脉动降低。对于边界层内的雷诺应力,在y+>500区域,高温气体效应会使雷诺应力值减小;而在y+<500的近壁面区域内,高温气体效应明显增大了雷诺应力值,进而增强了湍流引起的动量交换,从而使壁面处速度梯度增加,最终使摩擦阻力增加。对壁面热流,高温气体效应引起的较明显的平均温度降低使得壁面温度梯度降低,导致热流降低。高温气体效应使壁面平均压强和脉动压强均增加。 展开更多
关键词 高温气体效应 湍流边界层 直接数值模拟 多物理场耦合
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可压缩湍流边界层燃烧减阻研究综述 被引量:5
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作者 刘宏鹏 高振勋 +1 位作者 蒋崇文 李椿萱 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第3期593-602,共10页
减阻设计对于提高超燃冲压发动机性能具有重要意义,而边界层燃烧是一种有效的减阻方法。综述分别从实验、理论和数值模拟研究方面介绍了边界层燃烧减阻的相关进展。实验研究验证了边界层燃烧减阻的有效性,研究了不同因素对边界层燃烧减... 减阻设计对于提高超燃冲压发动机性能具有重要意义,而边界层燃烧是一种有效的减阻方法。综述分别从实验、理论和数值模拟研究方面介绍了边界层燃烧减阻的相关进展。实验研究验证了边界层燃烧减阻的有效性,研究了不同因素对边界层燃烧减阻效率的影响,初步形成了将该减阻技术应用于高超声速飞行器的能力。理论研究建立了考虑边界层燃烧的壁面摩阻、热流理论计算模型,而数值模拟帮助揭示了边界层燃烧减阻的内在物理机理。澳大利亚Queensland大学在该方面开展了较为系统的研究,欧洲、美国、俄罗斯、日本等在该方面极少公开发表相关研究成果。中国学者取得了一定进展,但与世界先进水平仍有较大差距,尤其是在实验研究方面。 展开更多
关键词 超燃冲压发动机 减阻设计 可压缩流动 湍流 边界层燃烧
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基于机器学习预测流场特征的网格生成技术研究进展 被引量:3
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作者 韩天依星 皮思源 +5 位作者 胡姝瑶 许晨豪 万凯迪 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《航空科学技术》 2022年第7期29-45,共17页
网格技术是影响数值模拟精度的一项重要技术。本文针对基于机器学习预测流场特征的网格生成框架,对流场特征指示器、机器学习预测流场、网格自动生成及自适应三项支撑技术进行了简要综述。现有的流场特征指示器与机器学习方法相结合有... 网格技术是影响数值模拟精度的一项重要技术。本文针对基于机器学习预测流场特征的网格生成框架,对流场特征指示器、机器学习预测流场、网格自动生成及自适应三项支撑技术进行了简要综述。现有的流场特征指示器与机器学习方法相结合有望成为提供网格生成先验参考的有效手段。在机器学习方面,适用于流体力学的物理嵌入方法是降低机器学习样本要求的可行方法。兼顾拓扑与密度分布的三维结构网格自动生成方法有待进一步研究。 展开更多
关键词 激波检测 误差估计 机器学习 数据降维 神经网络 流场预测 网格生成 网格自适应
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横向喷流与超声速来流干扰的机器学习预测研究
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作者 韩天依星 胡姝瑶 +4 位作者 蒋崇文 高振勋 李椿萱 刘杰平 蔡巧言 《气动研究与试验》 2024年第5期58-68,共11页
横向喷流与超声速来流干扰是高超声速飞行器中反作用控制系统工作时发生的重要流动现象。本文基于机器学习方法对横向喷流干扰流动中的壁面干扰压力分布进行了建模,首先依据干扰压力系数分布特征进行数据采样;然后采用特征正交分解方法... 横向喷流与超声速来流干扰是高超声速飞行器中反作用控制系统工作时发生的重要流动现象。本文基于机器学习方法对横向喷流干扰流动中的壁面干扰压力分布进行了建模,首先依据干扰压力系数分布特征进行数据采样;然后采用特征正交分解方法将采样数据降维;最后通过神经网络方法对干扰压力系数分布与工况参数的相关关系进行学习。本文采用的机器学习方法适用于喷流与超声速来流干扰流动,能够对壁面干扰压力分布进行较为准确的预测。 展开更多
关键词 横向喷流干扰 机器学习 特征正交分解 神经网络
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超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟 被引量:2
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作者 施方成 高振勋 +3 位作者 田雨岩 蒋崇文 王田天 李椿萱 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期101-119,共19页
为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律,采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先,通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性,并结合Tam相似谱理论确定了实验... 为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律,采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先,通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性,并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后,讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响,数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致,且均与已有实验和数值模拟结果相符;而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后,通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响,研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动,同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。 展开更多
关键词 气动声学 可压缩湍流 超声速理想膨胀喷流 喷流噪声 大涡模拟
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激波/各向同性湍流相互作用的研究进展
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作者 施方成 张智超 +2 位作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《气动研究与试验》 2023年第4期52-63,共12页
激波/湍流相互作用对于超声速飞行器力/热环境以及噪声特性具有显著影响,本文分别从理论、试验和数值模拟方面介绍了激波/各向同性湍流相互作用的相关研究。理论模型通过湍流模态分解以及线性近似分析了激波/各向同性湍流相互作用对于... 激波/湍流相互作用对于超声速飞行器力/热环境以及噪声特性具有显著影响,本文分别从理论、试验和数值模拟方面介绍了激波/各向同性湍流相互作用的相关研究。理论模型通过湍流模态分解以及线性近似分析了激波/各向同性湍流相互作用对于雷诺应力、涡量脉动以及湍流尺度的影响。试验研究验证了理论分析的部分重要结论,推进了激波/各向同性湍流相互作用的研究工作。数值模拟进一步针对湍流动力学脉动与热力学脉动在激波作用下的变化提供了机理解释。基于针对激波/各向同性湍流相互作用的理论、试验和数值模拟研究成果,部分学者针对湍流模型修正以及湍流噪声变化开展了研究,前者有效改善了湍流模型在模拟含激波/湍流相互作用流动的精度,后者则为激波作用下湍流噪声的变化提供了详细的解释。 展开更多
关键词 激波 湍流 可压缩流动 湍流模型 气动声学
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高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力/热影响的数值研究进展 被引量:9
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作者 莫凡 高振勋 +1 位作者 蒋崇文 李椿萱 《中国科学:物理学、力学、天文学》 CSCD 北大核心 2021年第10期22-37,共16页
本文主要针对高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力热影响的数值研究进行了综述.首先分析了高温化学非平衡流动数值模拟中的物理化学模型影响,发现组分扩散系数模型会对完全催化壁条件下的气动热结果产生影响;不同化学动力学模型... 本文主要针对高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力热影响的数值研究进行了综述.首先分析了高温化学非平衡流动数值模拟中的物理化学模型影响,发现组分扩散系数模型会对完全催化壁条件下的气动热结果产生影响;不同化学动力学模型对于激波/激波干扰等复杂流动区域预测的热流峰值差距甚至高达20%以上.壁面催化效应对气动热影响显著,有限催化模型目前仍在发展当中,其中运用气固表面有限速率化学反应动力学方法得到催化反应速率的模型更具发展潜力.材料烧蚀会在边界层内引入质量引射效应,同时热解气体还会与边界层中的高温空气组分发生复杂化学反应,总体上会显著降低气动热.高温化学非平衡效应对飞行器表面压强的影响主要存在两种机制:一种是激波后比热比变小会引起波后压强增大;另一种是脱体激波角变小进而减小波后压强,对航天飞机、返回舱等典型外形的升/阻力影响相对较小,而对力矩影响较大.最后,高温化学非平衡效应对高超声速湍流边界层的脉动特性产生影响,同时使壁面摩阻增加而热流降低,但并未改变湍流边界层的速度、密度、温度和组分浓度的标度律. 展开更多
关键词 高超声速 化学非平衡 催化/烧蚀 气动力/热 湍流边界层
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Improvement and application of wall function boundary condition for high-speed compressible flows 被引量:16
10
作者 gao zhenxun JIANG ChongWen LEE ChunHian 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS 2013年第10期2501-2515,共15页
In order to develop a wall function boundary condition for high-speed flows so as to reduce the grid-dependence of the simula- tion for the skin friction and heat flux, a research was performed to improve the compress... In order to develop a wall function boundary condition for high-speed flows so as to reduce the grid-dependence of the simula- tion for the skin friction and heat flux, a research was performed to improve the compressible wall function boundary condition proposed by Nichols. Values of parameters in the velocity law-of-the-wall were revised according to numerical experiments and the expression of temperature law-of-the-wall was modified based on theoretical analysis and numerical simulation. Be- sides, the formula of the heat conduction term in near-wall region was derived so that the coupling between the wall function boundary condition and CFD code was realized more accurately. Whereafter, the application study of the modified wall func- tion was carried out. The numerical case of supersonic turbulent boundary layer on a flat plate illustrated that the modified wall function produces reasonable results of skin friction and heat flux, and profiles of velocity, temperature and turbulent eddy viscosity for coarse grids with the initial wall spacing of y+〈400, and that the modifications to the original wall function can obviously improve the simulation precision. As for the application of separation flows, it was found from the numerical cases of supersonic cavity flow and hypersonic axisymmetric compression comer that the compressible velocity law-of-the-wall originally established based on the fully-developed attached turbulent boundary layer approximately holds in the near-wall re- gion inside the separation flows, which ensures that reliable skin friction and heat flux can be given by the wall function inside the separation flows, while for the region near separation and reattachment points, the wall function gives results with a rela- tively large error, because the velocity law-of-the-wall used in the wall function takes on obvious deviation from the real ve- locity profiles near the separation and reattachment points. 展开更多
关键词 compressible flows wall function boundary condition skin friction heat flux numerical simulation
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边界层内WENO格式特征重构精度的理论分析
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作者 许珂 高振勋 +1 位作者 蒋崇文 李椿萱 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期65-74,共10页
WENO格式因其高精度以及良好的激波捕捉能力而被广泛地用于可压缩湍流的数值模拟过程中。为了在有强间断的流场中仍然能保证数值稳定,通常将流动物理量投影到特征空间后再进行WENO重构。然而这种特征重构方法在边界层内的精度问题仍需... WENO格式因其高精度以及良好的激波捕捉能力而被广泛地用于可压缩湍流的数值模拟过程中。为了在有强间断的流场中仍然能保证数值稳定,通常将流动物理量投影到特征空间后再进行WENO重构。然而这种特征重构方法在边界层内的精度问题仍需要进一步分析与研究。通过可压缩边界层自相似解构造平板边界层内法向的流动参数,并在该方向上进行WENO重构,得到求解半点数值通量的WENO非线性权重。通过分析实际得到的权重与理想权重的偏差大小发现在边界层流动中特征重构的精度明显低于分量重构。为了更深入地分析特征重构精度降低的原因,通过对曲线坐标系下的流动方程进行理论分析,推导得到特征重构时的特征变量形式。根据特征变量表达式以及自相似解中权重误差分布发现引起特征重构精度降低的主要原因是特征投影过程在半点处出现了额外的极值点,同时这种因特征投影过程而产生极值的特性将不会随着左右特征矩阵的不同选取而发生改变。进一步地,基于理论分析的普适性,对于任何光滑流场,只要使用特征重构的投影过程,都会在半点处产生极值从而使得WENO系列格式产生精度降低的现象。 展开更多
关键词 WENO格式 特征重构 分量重构 格式精度 可压缩自相似解
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Numerical investigation on jet interaction with a compression ramp 被引量:3
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作者 Zhen Huaping gao zhenxun Lee Chunhian 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第4期898-908,共11页
A numerical investigation on jet interaction in supersonic laminar flow with a compres- sion ramp is performed utilizing the AUSMDV scheme and a parallel solver. Several parameters dominating the interference flowfiel... A numerical investigation on jet interaction in supersonic laminar flow with a compres- sion ramp is performed utilizing the AUSMDV scheme and a parallel solver. Several parameters dominating the interference flowfield are studied after defining the relative increment of normal force and the jet amplification factor as the evaluation criterion of jet control performance. The computational results show that most features of the interaction flowfield between the transverse jet and the ramp are similar to those between a jet and a flat plate, except that the flow structures are more complicated and the low-pressure region behind the jet is less extensive. The relative force increment and the jet amplification factor both increase with the distance between the jet and the ramp shortening till quintuple jet diameters. Inconspicuous difference is observed between the jet-before-ramp and jet-on-ramp cases. The variation of the injection angle changes the extent of the separation region, the plateau pressure, and the peak pressure near the jet. In the present computational conditions, 120 is indicated relatively optimal among all the injection angles studied. For cold gas simulations, although little influence of the jet temperature on the pressure distribution near the jet is observed under the computation model and the flow parameters studied, reducing jet temperature somehow benefits the improvement of the normal force and the jet efficiency. When the pressure ratio of jet to freestream is fixed, the relative force increment varies little when increasing the freestream Mach number, while the jet amplification factor increases. 展开更多
关键词 Air pressure Amplification factor Computational aerodynam- ics Navier-Stokes equations Pitch control Transverse jet
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