航天器结构变形几何重构技术研究

为解决航天器工作过程受力发生变形使计算网格模型无法实时更新的问题,引入了结构变形几何重构思想。采用多款工程软件协同,根据静力学分析的变形结果依次转换导出、曲面修复及壳体实体化等步骤进行几何重构,实现模型的实体生成。研究计算机图形学的点云库作为另一种几何重构思路,包括点云边界识别、曲面拟合、面组缝合及实体化等算法生成标准实体文件。以中国空间站模型为对象,出舱牵引系统中的导轨作为主要结构件,采用工程软件方法实现了导轨变形的几何重构,验证了航天器结构变形几何重构技术在载人航天领域应用的可行性。

热流CFD计算中格式和网格效应若干问题研究

通过数值实验、理论分析、试验数据和经验公式的综合研究,探讨了CFD热流计算的格式效应及网格效应:研究了Roe的FDS格式、Van Leer的FVS格式、AUSM+格式及中心差分格式的热流计算分辨率,探讨了不同格式对热流计算精度的影响,认为AUSM+格式在热流计算精确性方面具有优势;在热流绝对值的模拟上,网格的影响很大,能否计算出正确的驻点热流值将是获得精确物面热流解的关键;通过大量的数值计算、理论分析及其同试验数据的对比研究,对可能影响热流计算的网格因素进行了细致的分析,揭示了各因素对热流计算结果的影响规律。

通过求解输运方程计算壁面距离

壁面距离在当代湍流模化中仍然扮演着关键角色,然而苦于遍历计算壁面距离的高昂代价,该文考虑了求解偏微分方程的途径.基于Eikonal方程构造出类Euler形式的输运方程,这样,可以直接利用求解Euler和Navier-Stokes方程的CFD程序使用的高效数值格式和部分代码.基于北航的MI-CFD(CFD for missles)数值平台,详尽地介绍了该输运方程在直角坐标下的求解过程.使用隐式LUSGS时间推进和迎风空间离散,发现该方程具有鲁棒快速的收敛特性.为了保证精度,网格度量系数必须也迎风插值计算.讨论了初始条件和边界条件的特殊处理.成功应用该壁面距离求解方法计算了几个含1-1对应网格和重叠网格的复杂外形.

N-S方程隐式分区并行计算

将WuZN和ZouH提出的一套适合三点块三对角隐式格式的定常和非定常可压无粘流的覆盖分区并行计算方法推广到N S方程的计算 .在二维定常亚音速、跨音速和非定常情况下都得到了较好的绝对并行效率 .

组合前缘乘波体预压缩性能计算研究

乘波体飞行器是近年兴起的新概念飞行器。现提出了一种组合前缘的乘波体设计方法以改善飞行器前体的预压缩性能,并用Navier-Stokes方程进行了数值模拟,就密度流、压力系数、马赫数、总压等参数与普通乘波体进行了对比,结果表明,该设计方法能显著改善飞行器前体的预压缩性能。

混合型三阶格式及关于两种DES算法的比较计算研究

为开展RANS/LES混合模拟,在传统三阶迎风偏置格式的基础上,提出一类混合型的三阶计算格式,格式在中高波数范围具有可调的耗散水平。在此基础上,文中通过计算比较研究两种RANS/LES混合算法:一种是基于Spalart-Allmaras一方程模型的DES模型(DES-SA),另一种是基于混合长度模型的DES模型(DES-ML),使用发展的三阶格式对圆柱绕流进行模拟,并将得到的结果与文献比较,对计算格式、DES-ML算法进行了初步探讨。

塞式喷管流场计算

采用NND差分格式,对塞式喷管轴对称流场进行了数值模拟。通过流场分析,可以对塞式喷管火箭发动机有清楚的认识。计算表明,NND格式有很好的分辨率;无粘和有粘的情况流场结构和性能相差悬殊;塞式喷管的自适应能力很好。

非定常流动计算的混合时间推进方法研究

结合ADI方法的二阶时间精度特性和高斯-赛德尔迭代法的良好收敛性特性,提出了一种ADI-高斯-赛德尔混合迭代格式,应用该格式,对NACA0012翼型的跨声速俯仰振荡进行了EULER方程求解,空间离散格式采用ROE’S FDS格式,计算结果与实验及成熟的LUSGS双时间步迭代方法计算结果进行了分析比较。计算结果表明,该格式精度能达到LUSGS双时间步迭代方法完全收敛的二阶精度,且该格式精度对内迭代次数的依赖性较低。分析表明,本文提出的方法具有较高的精度和较好的收敛性。

一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大,在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象,流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关.通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼−恩斯科近似解,构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程,并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性,证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性,给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系,基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式.在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动,并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析,结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置,尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好,验证了新模型的有效性和可靠性,同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.

多片弹翼反坦克导弹动导数数值计算

为估计一种多片弹翼反坦克导弹动态气动特性,改进现有的数值模拟计算飞行器动导数的方法。采用准定常方法,利用滑移网格技术模拟飞行器定常滚转运动流场。使用减缩频率法,通过更改来流条件,模拟飞行器的非定常俯仰振荡运动。在此基础上介绍了滚转、俯仰阻尼力矩的具体计算过程。将这些方法应用于标准验证模型和一种多翼反坦克导弹的动导数计算中。计算结果表明:用这些计算方法计算飞行器的动导数,具有精度高、效率高的特点,可以被工程应用所参考。

均匀剪切流中粒子无规行走的分子动力学模拟研究

应用分子动力学模拟方法模拟了均匀剪切流,计算出不同均匀剪切流无规行走位移曲线,计算无规行走拟合曲线斜率。计算结果表明,在相同时间条件下,速度梯度越大,x轴方向无规行走曲线斜率增大,y轴z轴两个方向的无规行走曲线斜率越小。而同一剪切率下的y轴无规行走曲线与z轴无规行走曲线斜率的差别不大。在x轴方向分子无规行走位移的方均值与时间t的三次方成正比;在y轴、z轴方向分子无规行走的方均值与时间t成正比,分子扩散系数随着速度梯度增加而呈线性减小。

车厢间风挡形式对高速列车气动性能的影响

以3节车厢组成的CRH380型列车简化模型为基础,在速度分别为360、420、500km/h的条件下,研究车厢间7种风挡形式对各车厢和车厢连接处气动性能的影响。对比分析结果表明:车厢间风挡形式对车厢的压差阻力和黏性阻力影响不大;上下风挡比侧风挡对车厢的升力影响更大;车厢间采用全风挡与采用典型风挡相比,前者车厢连接处的气动阻力约为后者的7%,而无风挡的车厢连接处的气动阻力约为其50%;若车厢间采用上下和两侧闭式风挡,则车厢连接处的压差阻力约为典型风挡的30%。综合考虑气动性能和工程易实现性,采用上下和两侧闭式风挡形式更适用于高速列车。

乘波飞行器一体化构型设计

为提高高超声速飞行器设计的水平,提出一种结合优化设计和灵敏度分析的新设计策略,并将其应用于高超声速乘波飞行器的二维一体化构型的设计。结合实验设计方法、响应面技术和遗传算法构建了一套改进的优化方法,结合设计参数取值域、正交设计和方差分析发展了一种灵敏度分析方法。在优化设计过程中,通过参数化建模、网格自动生成和CFD求解,应用改进的优化方法对飞行器进行了多点多目标设计,得到了Pareto最优前沿面和优化推荐构型。针对推荐构型,应用灵敏度分析方法进行了非设计状态的性能分析,并基于灵敏度分析结果对推荐构型进行了修形设计。

横风强度对平原上集装箱列车横向稳定性的影响

应用平原大气边界底层速度型,对平原上运行速度为120 km/h的集装箱列车在横风角为90°8~12级横风下的空气动力载荷进行数值研究。研究对象分别为机车牵引装载着12.192 m（40英尺）集装箱的3辆NX70型平车和3辆X6K型平车的计算模型。结果表明,平原上X6K型平车装载集装箱所受升力的平均值约为NX70型平车集装箱的25%左右;2个列车模型中位置相同的集装箱所受侧向力基本相等,集装箱所受翻滚力矩约为NX70型平车集装箱的60%左右。铁路集装箱车辆的设计对其在平原上装载集装箱所受升力的影响很大,对集装箱所受侧向力的影响很小;集装箱平车底架的大面积空隙有利于列车底部和集装箱底部之间的空气流通,可有效降低集装箱所受升力和翻滚力矩;合理的铁路车辆设计可在一定程度上提高平原上集装箱车辆运行的横风稳定性。

类X-37B飞行器气动特性的数值研究

对类X-37B飞行器模型在50km高度以下不同飞行状态下的气动特性进行了数值模拟研究,将计算结果与航天飞机和X-34飞行器的试验结果进行了对比分析。结果表明,高马赫数大攻角再入飞行时,类X-37B飞行器和航天飞机的飞行升阻比相差不大,再入飞行横向机动能力相当。亚声速小攻角飞行时,类X-37B飞行器的升阻比大于航天飞机,小于X-34飞行器;说明类X-37B飞行器的低速机动和定点着陆能力强于航天飞机,弱于X-34飞行器。有翼再入飞行器气动布局差异对高超声速大攻角升阻比影响较小,对低速小攻角气动特性影响很大。

洞映射方法的研究和改进

针对传统洞映射方法存储大的缺点,对"广义封闭"的概念进行扩展,提出了最小洞映射方法,该方法允许挖洞曲面结束于网格截断面,有效缩小了洞映射区域,节省了存储开销.对适用于广义封闭的洞映射单元识别方法进行了分析,指出了用物面信息判断映射单元属性可靠性较差.发展了一种新的特别适合广义封闭问题的识别方法:"Inverse mark",使用计算网格结点信息自动识别洞外单元,再作为初始点在网格内部推进.研究表明:"Inversemark"方法计算效率高,可靠性好,自动化程度高。

火箭发动机塞式喷管流场的数值研究

用时间相关法和张涵信的无振荡、无自由参数NND显式格式 ,对火箭发动机塞式喷管二维轴对称定常流场进行了数值模拟。计算得到了有粘和无粘两种情况下 ,喷管流场的马赫数、压强、温度、流线以及速度矢量分布图。计算网格采用代数方法生成 ,并通过求解Laplace方程对网格进行修正。计算结果表明 :NND格式用于计算塞式喷管流场具有较高的效率和良好的分辨率 ;无粘和有粘情况得到的流场结构有较大的差别 ;基础喷管的出口马赫数和总压对流场结构有较大影响。

球锥钝头体再入稀薄气体电离过程三维DSMC模拟与验证

采用增大电子质量三个数量级并相应调整离子质量的方法,拓展化学反应的DSMC仿真方法处理稀薄气体电离过程;采用单温度模型处理全部化学反应,修正涉及电子的反应速率常数以保证真实化学反应速率;以直角/非结构网格相结合,运用碰撞网格自适应技术,基于MPI并行环境,开发适用于真实复杂外形的三维稀薄气体电离DSMC计算程序。对RAM-C II外形的再入绕流稀薄气体电子密度进行模拟验证,所得结果与飞行试验测量值吻合较好;对Stardust外形的再入稀薄段电离特性数值仿真分析,电子密度等值线云图与参考文献结果一致。相较于稀薄气体不含电离反应的DSMC方法,本文发展的模型和程序不会导致计算量的显著增大,可直接应用于三维复杂外形体极高速再入条件下的稀薄气体电离计算,为工程设计提供技术支持和指导作用。计算结果表明,极高速再入条件下传统稀薄流区的电子数密度足以引起通信黑障,需在通信设计上给予高度关注。

平原上不同长度集装箱列车横风载荷的数值研究

对在横风角为90°的10级横风作用下平原上以120 km/h速度运行的集装箱列车的空气动力载荷进行数值研究。采用平原大气边界底层速度型模拟运行环境,研究对象包括5种模型:机车分别牵引2辆、3辆、10辆载有集装箱的平车的列车模型以及1辆、3辆集装箱平车的周期边界模型。结果表明,机车尾流会削弱第1辆车所载集装箱的升力,第2辆车所载集装箱受到的升力最大;前车尾流导致后车的来流风向角和侧向力依次减少,第1辆车集装箱所受侧向力最大;第2辆车集装箱所受翻滚力矩最大,前3辆车集装箱所受翻滚力矩值比较接近;随列车长度增加,气动载荷在达到其最大值后呈逐渐下降趋势,尾车的绕流作用导致尾车集装箱的气动载荷迅速减少。用周期边界模型模拟长集装箱列车中段的空气动力载荷,其集装箱所受翻滚力矩约为整列车中最大值的80%～84%。

一种无烧蚀自适应的减阻防热新方法研究(英文)

为了解决传统激波针方法在高超声速实际应用中存在的问题,结合逆向喷流方法以及激波针方法,提出了一种无烧蚀自适应的高超声速减阻防热新方法--可伸缩姿态自调整喷流-激波针方法(TSAJS)。通过数值模拟的方法,针对不同L/D参数的TSAJS外形,对不同攻角、来流马赫数以及喷流马赫数状态下的流场结构、壁面压力和热流分布以及阻力系数等进行了对比研究。结果表明,TSAJS方法在有攻角状态仍然能够有效降低外形的阻力以及壁面热流,L/D为1的TSAJS外形可使壁面热流峰值及阻力系数均降低65%左右。在喷流作用下,TSAJS方法还可避免激波杆头部直接暴露于来流而产生严重的气动加热,从而不需要再特别考虑激波针的防热问题。