用双时间推进法求解非定常N-S方程的有关问题讨论

对于直升机旋翼绕流、飞机机动飞行等非定常问题 ,必须采用相应的非定常运动方程予以求解。而如何提高求解非定常运动方程的计算效率 ,一直是非定常计算中亟待解决的问题。针对这一问题 ,本文简要介绍了旨在提高求解非定常 N- S方程计算效率的双时间推进方法 ,并讨论了在应用双时间推进方法时不同物理时间求导精度、不同内迭代收敛标准、不同物理时间步长对计算结果和计算效率的影响。

双时间法求解大迎角翼型绕流非定常N-S方程

本文采用双时间推进法、顶点格式有限体积法求解非定常ＮＳ方程，应用多层网格技术计算了ＮＡＣＡ００１２ 翼型大迎角振荡绕流，并对伪时间推进收敛精度、物理时间步长、多层网格迭代方式等对计算结果与计算ＣＰＵ 时间的影响进行了讨论，另外还讨论了采用Ｂａｌｄｗ ｉｎ－ Ｌｏｍ ａｘ 湍流模型时用固定转捩或全湍流模式对计算结果的影响，并与实验结果进行了比较。

双时间法在弹丸非定常流场模拟中的应用

采用Jameson提出的双时间推进方法改进的隐式有限体积TVD数值格式,对有攻角高速旋转SOCBT弹丸非定常流场进行了数值模拟。计算结果表明:流场在经过约一个旋转周期之后形成了动态稳定状态,弹丸表面压力呈现出稳定的周期性波动,整个绕流场表现为非定常周期性变化,计算得到的马格努斯力系数与试验值的对比令人满意,说明该格式是进行弹箭非定常流场数值模拟的有效方法。

求解非定常方柱绕流的可变周期时间谱方法

针对周期性非定常流动特点，采用时间谱方法求解了无限大区域内低雷诺数下二维不可压缩层流绕方柱流动问题．由于方柱绕流的非定常运动周期事先未知，在计算过程中加入了基于残差梯度的可变周期计算方法，使变量和周期可以同时迭代计算．研究了时间谱方法的计算精度和求解速度，分析了不同求解参数对最终结果的影响．计算结果表明，时间谱方法可以准确地模拟方柱后漩涡的非定常运动现象，而计算所需时间只是传统的基于有限差分的双时间推进方法的10％～25％，流体非定常运动的Strouhal数和方柱的阻力特性证实了这种方法的正确性．可变周期计算方法对求解参数的变化不敏感，可以准确地预测运动周期．

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。

跨声速颤振计算方法研究

采用改进的弹簧近似方法,以ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的Euler方程为控制方程,耦合结构运动方程,计算了Isogai机翼模型的颤振边界。气动力求解采用双时间推进,外时间为物理时间,与结构运动方程同步;结构运动方程求解采用Rayleigh-Ritz方法,时间推进也采用双时间法,节省了大量计算时间。研究表明,计算结果与参考文献提供的结果吻合良好,证明了所提出的跨声速颤振计算方法的准确性。

跨声速机翼操纵面非定常气动力Euler方程计算

采用代数法与椭圆型方程优化相结合的结构生成方法为带操纵面F5机翼生成面对接块结构网格;弹性变形技术生成动态网格;有限体积法、双时间推进法求解非定常Euler方程。给出一种适于面对接块结构网格计算的守恒量插值方法。数值计算了F5机翼操纵面作简谐运动时的非定常气动力,计算值与试验值吻合较好。

基于预处理技术的扰动风对多段翼型非定常绕流作用的数值模拟

运用双时间推进法和动态嵌套网格技术对扰动风作用下的多段翼型非定常绕流进行了数值模拟.首先,结合预处理技术对麻省理工学院(Massachusetts Institude of Technology,MIT)的翼型模型在扰动风作用下的流动进行数值模拟,并运用其实验结果验证程序的正确性;然后,对多段翼型在周期性的扰动风作用下的非定常粘性绕流进行数值模拟,得到非定常情况下气动力随扰动风变化的迟滞规律.计算范围内的结果表明:扰动风的频率越低,幅度越大,多段翼型整体上的气动力越大;扰动风的频率越高,幅值越大,对多段翼型的气动力影响越大.

多段翼型襟翼滑动非定常粘性流数值模拟

运用动态嵌套网格技术和双时间推进算法,对多段翼型襟翼滑动的非定常粘性流进行数值模拟和研究.计算定常情况下的压力分布,并与实验数据进行对比,验证数值方法的实用性.同时对非定常情况进行数值研究,分析襟翼在不同的滑动速度下,幅度和频率对多段翼型的阻力、升力和力矩产生的影响.得到的结果对襟翼运动形式的设计具有一定的借鉴意义.

旋翼的非定常流动及表面载荷的数值模拟

旋翼的流场呈现很强的非定常现象.目前,对旋翼定常流场的计算已经基本成熟,非定常流场的计算仍在探索之中。本文基于有限体积法的思想,利用较成熟的商用软件NUMECA/IGG生成计算所需的网格。对N-S方程进行离散,选用Baldwin-Lomax湍流模型,Dual-Time时间推进格式模拟了旋翼的非定常流场。计算的结果与文献给出的实验结果符合得较好。

扰动风作用下多段翼型流动的数值模拟及流动控制

运用有限体积法、双时间推进法、动态嵌套网格技术、网格速度法等数值技术实现了多段翼型在扰动风作用下的非定常流场的数值计算,并研究了襟翼摆动对扰动风下多段翼型上的气动力的作用和控制规律。首先,运用NACA0006翼型阵风响应的理论解对本文数值方法的可靠性进行了验证。然后,对带30%襟翼的GW-2翼型在具有垂直于来流方向的周期性扰动风环境下的气动力性能进行数值计算,结果表明:多段翼型的升力随时间亦呈现周期性变化,其周期变化频率与扰动风频率相同,升力的波动幅值与扰动风幅值呈正比关系。进一步地,通过改变襟翼的摆动幅值和摆动相位的办法,研究了襟翼运动对扰动风的作用和控制规律,结论是:针对一定频率的扰动风,运用适当幅值和相位的襟翼摆动加以控制。

基于笛卡尔网格的非定常气动力计算

在非结构自适应笛卡尔网格基础上构建了一种基于笛卡尔动网格的非定常气动力计算方法。为了适应非定常流场对网格品质要求较高的特点,网格生成采用了基于几何外形、模型表面曲率为基础的自适应生成及加密方法。采用显格式龙格库塔推进方法和中心格式空间离散的有限体积法对NACA0012翼型,三维机翼的跨音速刚性振动进行了数值模拟。对伪时间收敛精度控制,真实时间步长对结果的影响进行了讨论。将计算结果与试验数据进行了比较,得到了良好的效果。

预处理算法在非定常流动计算中的应用

介绍了一种可应用于全速度范围的非定常N-S方程数值求解方法,并全面考核该方法的适用性。该方法通过引进伪时间导数项,对伪时间导数进行预处理以解决低速时方程系数矩阵刚性过大的问题;同时用双时间步推进算法保证时间精度,将该方法推广应用到非定常问题的求解。文中给出了若干算例,覆盖了从极低马赫数到超音速、无粘/层流/湍流、二维/三维、定常/非定常情况。算例结果表明,该方法在较宽的使用范围内均能得到理想的计算结果。