高阶精度方法下的湍流生成项对低速流动数值模拟的影响研究

基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了SST两方程模型不同湍流生成项对低速流动数值模拟的计算分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR7301两段翼型和Trap Wing高升力构型,研究内容主要包括不同湍流生成项对收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布、气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于低速二维流动,不同湍流生成项对收敛历程有比较明显的影响,对附面层湍流粘性系数分布和速度型影响不明显,不同湍流生成项主要影响主翼前缘的吸力峰值,进而影响升力系数和压差阻力系统;对于低速三维流动,不同湍流生成项对低速流动的收敛特性影响不明显,对翼梢涡的模拟精度有比较明显的影响,进而影响翼梢站位的压力分布和总体气动特性。

粘性极低速流动的预处理方法研究

讨论了采用预处理方法计算低速流动时遇到的参数选择、计算格式、舍入误差等问题,提出了一种适用于粘性计算的预处理参数计算方法。计算结果表明,使用高速流的计算格式计算低速问题时,即使残值收敛,也有可能得不到正确的计算结果;AUSM+-up格式适用于低速计算;马赫数小于等于10-6时,舍入误差会造成数值解无法收敛。

预处理方法在低速粘性流动中的应用

用时间相关法、LU SGS隐式求解经过预处理后的二维可压Navier Stokes方程 ,数值模拟了低速情况下不同马赫数、不同雷诺数的驱动空腔流动。为了使时间相关法能应用于计算低速流动及加快收敛 ,在控制方程的时间导数项前乘了一个预处理矩阵 ,实现了对方程的预处理。数值模拟结果表明 ,预处理确实加快了计算的收敛性 ,而定常解却没有改变。

低速气体流动不可压缩性理论解析

通过理想流体定常流动的理论解析,导出了微马赫数下密度的相对变化率与压强、温度的相对变化率的关系式,得到了当M<<1时的低速气体流动问题可视作不可压缩来处理的直观理论解析.

基于Roe格式的低速预处理方法研究

应用Weiss-Smith预处理矩阵,发展了Roe格式的预处理方法。在引入局部正交坐标系的前提下,推导了预处理后的Roe格式的定常及非定常形式,分别给出了一组适用于守恒变量的特征矩阵。最后就典型状态给出了验证算例,计算结果表明,本文发展的预处理方法正确可靠,在低速计算中大大提高了计算效率和计算精度,是一种非常有前途和价值的方法。

常气压辉光放电等离子体对边界层流动的影响

基于Shyy提出的常气压下均匀辉光放电等离子体与空气干扰的物理模型,通过求解电位势方程得到电场分布及作用于流体上的电场力.以NACA0015翼型低速绕流为对象,通过数值求解考虑等离子体作用的流体运动控制方程,研究等离子体位置和个数控制对翼型绕流分离的影响.位于分离点上游的等离子体能够有效地抑制流动分离,而在分离区的等离子体对流动影响很弱,这一结论同实验观察一致,并给出等离子体对翼型壁面压力和气动力影响的规律.

五阶HWCNS在低速复杂流场中的应用

采用五阶精度显式混合加权紧致非线性格式求解雷诺平均NS方程;利用多块对接结构网格技术,对30P-30N多段翼型进行网格收敛性研究。在不考虑转捩的情况下,采用SA一方程湍流模型研究混合加权紧致非线性格式与二阶精度MUSCL格式对该翼型压力分布和典型站位速度型的影响,并与实验结果进行对比分析。采用混合加权紧致非线性格式和SA一方程湍流模型模拟梯形翼高升力构型低速复杂流场,通过对总体气动特性和压力分布的分析,探讨五阶精度显式混合加权紧致非线性格式在低速复杂外形流动中的应用能力。结果表明,对30P-30N三段翼型,采用全湍流模拟方法可以得到较好的压力分布;对梯形翼高升力构型,在附着流和边界层小分离情况下混合加权紧致非线性格式有较好的模拟能力。

基于预处理的低速小展弦比机翼数值模拟

以雷诺平均的Navier-Stokes方程为基础,应用非结构混合网格技术,基于有限体积的时间推进预处理方法,对小展弦比机翼的低速流动进行了数值模拟。其中对流项的离散应用了基于Roe的Riemann近似解迎风格式,时间离散应用了基于LU-SGS的隐式格式。为描述湍流流动,采用了Spalart-Allmaras一方程湍流模型。为了验证本文方法对低速小展弦比机翼粘性流动的数值分析效果,对几个不同展弦比的机翼进行了数值模拟。本文的数值结果与文献的实验数据基本一致,表明本文方法能够准确模拟小展弦比机翼在低速流动时机翼的展弦比对其气动特性的影响。

自适应人工粘性中心格式在低马赫数无粘流动计算中的应用

在Euler方程组的预处理方法的研究方向上,采用一种新式的带有自适应人工粘性的显式中心差分格式,对无粘凸包流动进行了数值计算。计算结果表明,该方法可以较好地直接进行Euler方程组对于10-5的低马赫数下的不可压缩流动的计算。

工程流体力学基础(Ⅵ)

6气体的管内流动前几章所涉及的大多是不可压缩流体,一般不适用于气体。但是当气体作低速流动时,比如Ma<0.1,则也可以适用于气体。当气体作高速流动时,则必须考虑其压缩性影响。本章讨论气体管内流动的一些基本概念、基本方程及基本计算方法(可以结合第7章内容一起学习)。

翼吊发动机短舱对三维增升装置的影响及改善措施研究

运用数值模拟方法,结合风洞试验数据,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响以及在发动机短舱的不同位置安装涡流片进行流动控制的效果。结果表明:翼吊发动机短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流会对三维增升装置造成不利影响,其主要表现为在主翼上方形成一个很大范围的低速流动区。在发动机短舱适当位置安装涡流片能明显改善增升装置的气动性能。主要机理在于:涡流片在大迎角时产生的强漩涡能向低速区内注入能量,搅动该区域的流动,从而减小低速流动区的范围。但是涡流片的位置必须进行优化,在不适当的位置安装涡流片会进一步恶化增升装置的气动性能。

BLU-SGS方法在WCNS高阶精度格式上的数值分析

高阶精度计算方法的收敛效率是目前CFD重要的研究内容之一。应用多块对接结构网格技术,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程(RANS)和五阶空间离散精度的显式加权紧致非线性格式(WCNS-E),针对NLR7301两段翼型和Trap Wing梯形翼两个低速算例,重点研究了BLU-SGS迭代方法应用于WCNS-E高阶精度格式上的收敛效率问题。通过与LU-SGS迭代方法收敛效率和计算结果的比较,研究结果表明:BLU-SGS迭代方法的收敛效率明显优于LU-SGS迭代方法;对于收敛的流场,BLU-SGS迭代方法的计算结果与LU-SGS方法的结果基本相同。

常气压辉光放电等离子体控制翼型失速的数值模拟研究

基于Shyy提出的大气压下均匀辉光放电等离子体与空气干扰的物理模型,通过求解电位势方程得到电场分布,得到了作用于流体上的电场力。通过数值求解考虑等离子体作用的流体运动控制方程,以NACA0015翼型低速绕流为对象,研究了常压辉光放电等离子体位置和个数控制翼型绕流分离的影响。位于分离点上游的等离子体能够有效地抑止翼型分离,而在分离区的等离子体对流动影响很弱,同实验结果一致,并给出了等离子体对翼型气动力影响的规律。

热厚材料表面的近极限火焰传播特性

利用窄通道实验系统对低速气流中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)平板表面逆风传播火焰的熄灭极限和传播速度进行了研究,主要实验参数为气流速度(≤10,cm/s)和氧气体积分数(≤50%,).实验发现,当气流速度和氧气体积分数接近火焰熄灭边界时,连续火焰分裂成为独立的、可稳定传播的小火焰,该现象的存在使材料的可燃范围扩大到连续火焰边界之外.分析表明,经典的热区火焰传播理论不能很好地预测火焰在低速流动中的传播速度,其偏差随着气流速度和氧气体积分数的减小而增大.

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法。空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法。数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比。结果表明预处理结果与实验数据吻合良好,并在收敛速度和精度方面都有很大的提高,显示本文的工作具有较大的工程实用意义。

二维翼型绕流计算中预处理和多重网格方法的应用

结合Turkel矩阵预处理方法和多重网格方法,发展一种适合低速粘性流动计算的高效数值方法.通过对Navier-Stokes方程的时间导数项实施Turkel矩阵预处理,使得可压缩Navier-Stokes方程在低速情况下的系统刚性得到改善.为进一步加速收敛,提高计算效率,采用多重网格的3层V循环方式,对RAE2822超临界翼型的低速粘性绕流流场进行数值模拟.计算结果表明,该预处理及多重网格方法能够大幅度地提高低速粘性流场的收敛性能,具有较高的计算精度,能够将可压缩Navier-Stokes方程的马赫数计算区域扩展到低速不可压缩区域,对于低速粘性流场的计算非常有效.

基于昆虫毛状感触器的微型流速传感器有限元模拟分析(英文)

给出一种基于昆虫毛状感触器的微型仿生传感器,用以测量低速气体流动.分析昆虫毛状感触器和这种微型仿生传感器的工作机理.采用ANSYS的多场耦合模型进行模拟以充分考虑到固体场与流体场的相互作用,提出有限元分析中流体模型的边界条件和尺寸选择的标准.有限元模拟证实,低速气体的流速与应变片测量的薄膜根部应力在微尺度范围内有良好线性关系.而且简单分析和初步探讨基于悬臂梁的薄膜的尺寸对于根部应变的影响.

认识稀薄气体动力学

以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分支——稀薄气体动力学.讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系.通过与8速度气体模型的间断Boltzmann方程的对比,解释了Boltzmann方程碰撞项的物理意义和数学困难,简要综述了其一般解法.讨论了分子在物体表面的反射和问题的边界条件,着重介绍了直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法.

基于拟压缩方法的扩压器低速流场数值研究

发展了基于拟压缩方法的求解叶轮机械低马赫数流场的方法,研制了时间推进方法对叶轮机械全流速范围流场的求解计算程序,且对拟压缩因子的取值进行了讨论.通过对离心压缩机叶片扩压器的数值计算表明,发展的基于拟压缩方法能够快速正确的预测叶轮机械内的低速流场;引入拟压缩方法是对时间推进方法的一个很好补充,使时间推进方法的应用范围得到了拓展.

信息保存方法在微尺度变温流场中的应用研究

在信息保存法(IP)方法的基础上,提出了一个简单易行的温度模型,该模型可以有效模拟计算有温度变化的流动.此外研究发现,在用IP方法模拟计算的流场局部密度变化很大时,如果采用质量守恒方程的二阶中心差分格式更新信息密度时会使计算发散,因此建议采用一阶迎风格式更新信息密度.