化学反应对高空高速空腔流动的影响研究

高空高速飞行器表面的缝隙或缺陷结构(类似于空腔流动)会导致局部气动加热问题,对飞行器局部防热能力提出考验。本文中采用直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC),开展了来流高度H=60 km,马赫数Ma=10,不同长深比(L/D)对空腔内部流动结构的影响研究以及化学反应对闭式空腔底部热流的影响研究工作。结果表明:随着长深比(L/D)的增大,空腔底部的压力系数、摩阻系数和表面传热系数都呈增大趋势,当L/D=6时空腔流动结构由开式变为闭式;N、O原子和NO分子集中分布在空腔后方壁面处,引入化学反应使底部热流降低5.5%。

基于自适应混合网格的高马赫数空腔流动模拟

空腔流动尤其是高马赫数(Ma>2)空腔流动,存在强激波、强剪切和分离涡,及其相互之间的干扰,流动复杂,网格分布及网格生成的质量对模拟结果影响很大。将建立的基于非结构混合网格的自适应探测器,应用到高马赫数空腔流动数值模拟中,通过空腔标模算例考核,验证了采用网格自适应技术可以更好地模拟存在大分离和强剪切的高马赫数空腔流动。开展了马赫数、雷诺数等流动参数对空腔流动特性影响的研究,随马赫数增大空腔内动压急剧升高,自由流和剪切层对后壁面的冲击效应明显增强,压力分布的不均匀程度提高,后壁面上的压力峰值均逐渐增大。雷诺数增大会使后壁面处的压力峰值增大,并且高马赫数条件相比于低马赫数条件下雷诺数对腔内压力分布的影响更显著。

水下航行器表面空腔流动及控制研究综述

近年来,水下航行器表面空腔结构流激振荡产生的低频线谱噪声问题日益突出,严重威胁其隐身性能。针对水下航行器流激噪声等实际工程问题,对不可压缩空腔流动噪声的产生机理和特性进行分析,综述其流动特点和控制技术发展趋势。首先,对空腔自持振荡的基本机理和特性进行概述,总结梳理空腔自持振荡反馈机理及其三维不稳定特性的研究进展;然后,介绍自持振荡激励下流激空腔共振的产生机制和基本特性,包括矩形/圆柱形空腔声模态共振和Helmholtz共振等;其次,对比分析主动、被动控制方法的研究进展情况;最后,展望不可压缩空腔流动的未来研究方向,建议开展空腔自持振荡反馈机理与三维不稳定性研究、空腔流激共振机理和声辐射特性研究以及不可压缩空腔流激噪声控制方法研究。

过渡式空腔流动数值计算

采用雷诺平均N-S方程数值模拟了长深比L/D=12的空腔流动,分别计算了0.85Ma和1.5Ma两种速度下的流场,得到了空腔内压力、速度、涡量等分布图,分析了空腔内部流动特性。从计算结果可以看出,空腔流动明显表现出过渡式空腔流动特性,空腔前缘和后缘都有明显的涡流区域,而且当来流速度不同时,空腔内部流动分别表现出了闭式-过渡式和开式-过渡式的空腔流动特性。

超声速空腔流动数值模拟研究

采用Roe格式、S-A一方程湍流模型和LU-SGS隐式算法对三个不同类型的空腔进行了模拟,并把数值计算结果和试验结果进行了比较,二者一致。通过对流过不同L/D空腔的可压缩流动进行模拟,得到了不同L/D空腔的底部压力分布、空腔内流线、等压线和等马赫数云图,分析了空腔流动类型随L/D增大转变的机理。

基于空腔流动特性的汽车侧窗风振噪声控制方法研究

利用简单空腔模型对串联空腔控制风振噪声方法进行了机理分析,得出抑制空腔噪声主要通过气流导出效应和能量耗散效应的结合。基于此机理,提出了一种汽车侧窗风振噪声的控制方法,即在B柱上开凹槽,使凹槽和后窗开启时的车内空间形成一个串联空腔。采用大涡模拟(LES)的计算方法对其进行数值模拟,结果表明开凹槽后可以有效的抑制风振的产生。并对凹槽的尺寸进行了优化研究,计算结果表明L/D=4凹槽的降噪效果最明显,最大降幅达到14dB。

掺气减蚀设施后二维空腔流动计算

本文发展了文献 [4 ]中提出的求解自由面重力流的h2 类边值问题理论 .运用解析函数的Riemann Hilbert混合边值问题的h3 类边值问题理论 ,导出了计算有重力作用情况下双自由表面二维空腔势流流动的边界程分方程 ,提出了确定空腔区水舌下自由表面的计算格式 ,并在物理平面上进行了数值求解 .表明 ,该数值方法具有收敛速度快、边界适应能力强、计算量小、计算精度高和对初值要求不高等特点 .计算结果与实测资料对比分析表明 ,来流佛氏数Fr <7情况下 ,无需考虑阻力影响 ,采用势流模型即可获得与实测值相符合的结果 ;而在来流佛氏数Fr >7情况下 ,由于射流掺气加剧 。

DES方法模拟空腔流动及噪声分析

空腔流动中包含多种复杂的物理现象,一直是流体力学中的一个重要问题。本文研究了三维非定常雷诺平均N-S方程和分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)方法在空腔流动及空腔噪音问题的应用。利用两种方法对三维空腔流动及噪音进行了数值计算并与实验数据进行了对比,通过分析比较发现DES方法得到的结果更加准确,特别是通过声压级(Sound pressure level,SPL)分析发现DES方法能够较好地捕捉空腔流动中的压强脉动及噪声水平,说明DES方法能够有效处理空腔流动问题。

偏航状态下空腔流动的数值模拟

采用基于S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型的脱体涡模拟方法(Detached-eddy simulation,DES),数值模拟研究了偏航状态下的空腔流动。首先,运用DES方法对非偏航状态下的空腔流动进行数值模拟,并和文献结果进行比较,验证该方法模拟空腔流动特性的能力;然后,运用DES方法数值研究偏航状态下的空腔流动,给出声压级的变化。数值研究表明:不同偏航角对空腔底部中心线处声压级产生很大的影响;与非偏航状态相比,在空腔底面中心线的某些位置处,给出了声压级随偏航角的变化规律为:声压级先是随着偏航角增加而缓慢增加,然后大大减小。

合成湍流对空腔流动RANS-LES混合模拟结果的影响

合成湍流作为一种能够有效抑制"灰区"问题的手段,在RANS-LES混合模拟中得到了广泛应用。由于空腔流动中存在主导的自持振荡机制,添加合成湍流对其RANS-LES混合模拟结果的影响目前还不明确。本文详细比较了合成湍流对马赫数0.6空腔流动的分区和非分区混合模拟带来的影响:对于剪切层,合成湍流显著增加了旋涡结构的三维特性和湍动能的大小;对于腔内的流动,添加合成湍流增大了后壁附近环流区的尺寸,进而降低了靠近后壁区域的剪切层动量厚度和平均压力分布,模拟结果更接近实验数据。合成湍流的使用会诱导产生更高频的模态,但是对Rossiter模态基本没有影响。通过对不同位置展向波数谱的比较,发现合成湍流对模拟结果的影响是通过改变腔内流动的三维机制而产生的。对比研究说明,如果主要关注流动的三维特性(如展向失稳模态),则来流边界层中的合成湍流脉动将对空腔流动的RANS-LES混合模拟结果有重要影响。

HLLE++格式在高马赫数空腔流动模拟中的应用

空腔流动存在剪切层运动、涡脱落与破裂,以及激波与激波、激波与剪切层、激波与膨胀波和激波/涡/剪切层相互干扰等现象,流动非常复杂,特别是高马赫数(M>2)时,剪切层和激波更强,激波与激波干扰更严重,对数值格式的要求更高,既需要格式耗散小,对分离涡等有很高的模拟精度,又需要格式在激波附近具有较大的耗散,可以很好地捕捉激波,防止非物理解的出现。Roe和HLLC等近似Riemann解格式在高马赫数强激波处可能会出现红玉现象,而HLLE++格式大大改善了这种缺陷,在捕捉高超声速激波时避免了红玉现象的发生,同时还保持在光滑区域的低数值耗散特性。本文在结构网格下HLLE++格式的基础上,通过改进激波探测的求解,建立了基于非结构混合网格的HLLE++计算方法,通过无粘斜坡算例,验证了HLLE++格式模拟高马赫数流动的能力,并应用于高马赫数空腔流动的数值模拟,开展了网格和湍流模型影响研究,验证了方法模拟高马赫数空腔流动的可靠性和有效性。

二维空腔流动的一种新的数值模拟方法

按照文献[5]的计算模式,运用解析函数的Riemann-Hilbert混合边值问题理论,对重力场中的二维空腔流动进行了数值模拟。给出了Fr数、空腔压力坝面坡度与空腔长度的关系曲线,对跌水和空蚀突体绕流进行了数值模拟和验证。运用本文方法进行数值求解时,只需在流场边界上进行离散处理,数值求解具有收敛速度快、精度高、边界适应能力强、对初值要求不高等优点。

基于混合RANS/LES方法的亚声速空腔流动主要影响因素的数值研究

随着计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术的发展,混合雷诺平均N⁃S方程(Reynolds averaged Navier⁃Stokes,RANS)/大涡模拟(Large eddy simulation,LES)类方法被越来越多地应用于航空领域的大分离流动及气动噪声的仿真分析中,并取得了很好的效果。本文选取M219空腔流动风洞试验模型,在Ma=0.85的情况下,进行了混合RANS/LES方法的验证,并进行了网格敏感性分析;然后针对影响空腔流动的几个关键因素进行了仿真研究,并给出了主要的研究结果;最后,针对L/D=7的大长深比空腔,研究了增加隔板形成前后两个L/D=3.5的串列空腔的流动特点。

闭式-过渡式空腔流动数值计算

对闭式-过渡式空腔流动进行了数值计算,分析了Ma=0.85时空腔的流场,确定了空腔流动的类型,分析了空腔内部流动特性。

空腔流动的动量分解及能量输运特性

空腔结构广泛应用于航空航天飞行器部件及地面交通工具中,其复杂的流声特性是相关工程设计中必须考虑的关键问题.空腔流动中的流声相互作用是空腔自持振荡的重要过程,准确识别并解耦空腔内的流体动力学模态和声模态,是深入理解空腔流声相互作用和能量转化机制的关键.通过直接求解二维Navier-Stokes方程数值模拟来流马赫数Ma=0.8的亚声速空腔流动,获得高精度流场数据;采用动量势理论,对动量进行流声组分分解,获得了动量的涡熵动力学组分和声组分,并分析各组分的空间分布特征、时间演化特性以及能量输运特性.结果表明:空腔流动中动量的涡熵动力学组分仅存在于近场,集中于剪切层内呈层状分布特性,且二者分布相似,随主流以对流速度向下游运动;其中涡组分携带的能量从剪切层内不断输运至剪切层外侧及空腔后缘点处,熵组分携带的能量则不断向剪切层内输运,并在剪切层内耗散;声组分同时存在于近场和远场,呈现出典型的压缩膨胀特征,其携带的能量以声能形式由后缘点处不断以声速向上游和远场传播.

基于DES的二维和三维空腔流动特性研究

空腔流动广泛存在于航空航天工程中,对其流动特性的研究具有十分重要的工程意义。采用数值方法对比模拟了二维和三维空腔流动,控制方程采用N-S方程,空间离散采用有限体积方法,对流通量计算采用Roe格式,非定常时间离散采用双时间步长方法,湍流粘性计算采用基于SA模型的DES方法。数值计算所得的三维空腔底面压强分布与实验结果一致,所得的二维和三维空腔内的流动结构与相关文献中的分析相吻合。将二维和三维的计算结果进行比较,发现空腔底部压强分布、空腔内的压强振荡、空腔内部流线图及声压级等均有所不同,得出在空腔宽度有限时,横向流动简化了流动结构,削弱了振荡幅值,但使振荡过程复杂化,其三维效应不能忽略。

基于TR-PIV方法的格栅-空腔流动流场自激振荡空间特征研究

格栅-空腔流动能够引起流场自激振荡现象,导致诸多工程问题。采用风洞实验方法对流场振荡的空间分布特征问题进行了研究;建立了格栅-空腔实验装置,使用时间分辨粒子图像测速系统(TR-PIV)对空腔不同展向截面的速度场进行了测量,分析了流场特定位置速度振荡的时频特征。研究结论表明:在格栅-空腔流动中,流场自激振荡频率在空间中均匀分布,其斯特劳哈尔数约为0. 37。在格栅外侧,振荡幅值沿来流方向呈增加-减小-增加变化;在格栅内侧,振荡幅值沿来流方向先增加后减小;振荡幅值沿展向呈对称分布,在展向平分面达到最大值,在空腔壁面处达到最小值。

空腔流动的拉格朗日涡动力学分析

空腔流动中包含着丰富的涡结构相关物理现象,开展空腔流动中的涡动力学分析能够为相应的流动控制和降噪提供理论依据。采用直接数值模拟获得开式空腔流动的高精度流场数据,用拉格朗日拟序结构识别流场中的涡结构,并结合Q判据和涡量通量分析,对空腔中涡的生成、脱落、对流以及撞击破裂过程展开研究,分析其动力学特性。结果表明:在一个流动周期内,拉格朗日拟序结构的卷起与脱离伴随着前缘涡的生成与脱落,向下游发展;拉格朗日拟序结构在后缘点的破裂伴随着Q与涡的破裂;空腔内部的主涡则在整个流动周期内都维持相对稳定状态。

三维空腔流动波系建模及模态演化

高速空腔流动包含复杂波系结构,这些复杂波系的传播和演化导致流动产生自持振荡而引起强噪声,空腔噪声在频谱上包含多个具有离散频率的声模态,深入理解各阶声模态的演化规律可为发展噪声控制方法提供理论基础.通过分析亚声速和超声速情况下空腔两端的波系散射过程并考虑三维展向流动,分别建立了针对亚声速和超声速空腔流动的三维波系模型.三维波系模型包含了空腔中不同波系之间的非线性相互作用,这种非线性作用可导致产生不同于Rossiter模态的其余频率成分.基于三维空腔流动实验测量的压力信号数据,对模型中的参数进行了线性估计,采用快速傅里叶变换、双谱分析和小波变换等方法对压力信号进行了分析,结果表明:振荡主模态之间会产生非线性作用,这种非线性作用产生了幅值较高的谐频,主要的振荡模态之间存在模态切换现象,且模态切换呈低频特征,整体表现出随机性特性.

飞机设备舱门开启空腔流动效应下舵面振动响应分析方法研究

飞机设备舱门打开时会出现明显的空腔流动现象,附近流场发生剧烈振荡,可使舱体附近的舵面表面气动载荷出现强烈脉动,激发舵面结构模态产生剧烈振动。利用ANSYS CFX平台,通过二次开发程序实现了对上述现象进行CFD/CSD耦合计算分析,并研究了在不同来流条件下舵面结构响应的变化规律。