含层流分离泡的粘性绕流精确数值模拟方法研究

高精度CFD求解器是翼型设计的基础,而翼型流动转捩的准确预测是提高数值模拟精度的关键之一。eN方法是比较可靠的且可应用于翼型设计的转捩判断方法,但目前国内耦合eN转捩预测与二维雷诺平均N-S(RANS)方程求解器的研究仍需要通过求解层流边界层方程为转捩判断提供所需的边界层信息。这种方法不能处理含层流分离泡的流动。为解决上述问题,文章发展了一种直接求解RANS方程为转捩判断提供高精度的边界层解的方法,耦合基于线性稳定性理论的eN转捩判断方法实现了含层流分离泡流动的转捩点自动判断。采用文中方法对含层流分离泡的翼型绕流进行了数值模拟,转捩预测位置与实验值吻合较好,气动力计算精度得到了提高,验证了该方法的有效性。     

en方法在无限展长后掠翼边界层转捩判断中的初步应用

文章利用三维雷诺平均Navier-Stokes方程求解程序、三维层流边界层方程求解程序以及三维线性稳定性方程求解程序进行了中、小后掠无限展长机翼边界层转捩预测的研究。三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解程序为三维层流边界层求解程序提供层流边界层外边界的流动参数,后者为基于三维线性稳定性理论的en方法提供高精度的边界层速度型,由en方法得到的边界层转捩信息反馈给三维RANS求解程序,上述3种程序的耦合构成了一次对边界层的转捩判断。经过几次上述流程,边界层转捩的位置收敛,将计算得到的转捩位置与实验测得转捩位置进行比较,初步验证了文中方法的可靠性。     

基于线性稳定性分析的eN方法在准确预测翼型气动特性中的应用

在耦合雷诺平均Navie-Stokes(RANS)方程求解可压缩层流边界层方程的基础上,求解了线性稳定性Orr-Sommerfeld方程,得到不同频率扰动在翼型边界层内沿弦向的放大因子N,进而采用eN转捩判断方法判断出流动转捩的位置.通过上述方法,实现了考虑转捩影响的翼型粘性绕流的雷诺平均Navier-Stokes方程数值求解,提高了翼型气动特性计算的精度.使用文中方法分析了翼型NACA63A015和NLF416的转捩点位置以及气动特性,与实验测得的结果进行比较验证了该方法的可靠性.     

基于当地变量的一方程转捩预测模型

引入适用于边界层内的湍流度及压力梯度因子求解公式,构造Reθc和Flength经验关系式,实现对γ-Reθt槇转捩模型中两输运方程的简化得到一方程转捩预测模型。将其与SST湍流模型进行耦合并利用Schubauer and Klebanoff平板标定各参数。此外,经过分析SST与SA湍流模型输运方程间的联系,修正SA湍流模型中的ft2函数,通过其对源项的控制实现文中一方程转捩预测模型与SA湍流模型的耦合。最后,利用得到的分别基于SST和SA的一方程转捩预测模型对S809低速翼型、DLR-F5机翼进行数值模拟。结果表明:由S809翼型的计算数据可得出文中构建的一方程转捩模型在线性区与实验数据吻合很好,力系数在8°迎角范围内均达到了3%以内的预测精度;DLR-F5机翼在中翼段和外翼段的转捩预测位置与实验较接近,吻合良好。2个算例均表明改进后的一方程转捩模型取得了良好的预测效果。     

考虑转捩的气冷涡轮气热和热弹耦合计算

基于非结构化网格与Gama-Theta转捩模型,将全三维NS方程组与热传导方程进行耦合求解,采用直接耦合以及LUSGS隐式求解方法,开发了气热耦合求解系统.采用能保证通量守恒的面积加权类的插值方式,保证精度,实现交界面处温度的准确传递.对MARKII叶片5411工况进行气热耦合数值模拟,并与实验结果进行了对比验证.开发了基于二次单元的热弹耦合求解器,通过导入气热耦合计算的边界温度实现对位移和热应力的有限元求解.计算结果表明:采用转捩模型后计算的涡黏系数在压力面的大部分和吸力面转捩点之前的区域与真实流动吻合更好,由于涡黏系数主要通过影响温度扩散项系数影响边界层的传热,因此在该区域计算的温度与实验值误差更小,热传导计算的精度更高,同时静压的计算结果与实验值吻合较好;得到的MARKII叶片位移和热应力分布趋势比较合理,采用Gama-Theta转捩模型在提高热传导计算精度的同时,能够获得更加合理的热弹耦合计算结果.     

基于近似边界条件的三维机翼气动弹性数值模拟研究

物面边界条件采用一阶近似边界条件,计算网格采用静止的笛卡尔网格;通过求解Euler方程,得到三维机翼的非定常气动力,耦合机翼运动方程进行气动弹性的计算;流场和结构之间的数据通过无限平板样条法(IPS)进行交换.使用文中方法计算了三维气动弹性标准模型AGARD445.6机翼的颤振边界,计算结果与实验结果吻合,表明该方法可以准确高效地求解三维机翼的气动弹性问题.     

γ-Re_θ转捩模型在风力机翼型数值计算中的应用

很多湍流模型忽略了层流区域的存在,但实际流动在翼型某位置处开始转捩,此时模型显然偏离实质,计算结果精度较低。因此加入γ-Reθ转捩模型,将转捩动量厚度雷诺数Reθ作为经验关联函数来控制边界层内间歇因子γ的生成,再通过间歇因子来控制湍动能产生项,使湍流模型在层流区域失效。首先为了验证数值计算的准确性,采用上述方法针对风力机翼型A2121,在高雷诺数4×106下对几种典型攻角的气动性能进行计算,对比普通全湍流模型、湍流转捩模型和风洞试验的计算结果,发现湍流转捩模型结果更精确。之后在更大攻角范围-10.14°~25.09°内,采用此转捩模型数值方法进行气动仿真,发现其总体计算结果与风洞试验实验数据较吻合,验证了此数值方法的正确性和有效性。     

机翼折叠运动的瞬态动力学响应分析

结合多体动力学中的浮动坐标系法和结构动力学中的模态综合法,建立了机翼折叠运动的动力学控制方程,预测了机翼折叠运动中的瞬态动力学特性。将有理函数近似导出的折叠运动中的非定常气动力引入到动力学控制方程中,获得了机翼折叠运动中在时变气动力作用下的瞬态动力学响应。结果表明:机翼折叠过程越缓慢,得到的瞬态响应越平稳;机翼柔性对折叠变形过程中的瞬态响应影响较大;在一定的来流速度范围内,来流速度越大,稳态时翼尖位移响应的振荡越小,越有助于机翼的折叠变形。     

轴流风机叶片表面紊流边界层解

在全三元流动计算的基础上，对一台０．８ｍ直径的轴流式通风机进行了全面的叶片表面边界层的计算，包括层流边界层解，紊流边界层解．并判别了边界层的不稳定点，转捩点和分离点．获得了所有的边界层参数．该项研究成果为风机损失计算，叶片优化以及效率的提高提供了依据     

转捩过程对旋翼悬停模拟的影响分析与研究

悬停状态是考察旋翼整体气动性能的重要状态之一。随着计算机技术及CFD技术的发展,基于“第一性原理”的数值模拟方法越来越多地被用于评估旋翼悬停性能。在使用基于RANS方程的数值模拟方法进行固定翼飞行器定常计算时,流动转捩现象对某些特定状态下流场及气动特性会产生巨大影响,因此在进行固定翼设计时要考虑流动转捩现象。然而转捩过程是否同样会影响旋翼非定常气动流场及气动特性,国内研究较少,因此有必要研究转捩过程对旋翼流场数值模拟的影响,为旋翼类飞行器的设计及评估提供参考。采用美国航空航天学会旋翼悬停工作组提出的PSP旋翼标模,利用结构化动态嵌套网格技术,在大拉力悬停和小拉力悬停状态下,分别进行全湍流模拟和转捩模拟计算并与试验结果进行了对比。对比结果显示,文中所采用的数值求解器对旋翼悬停效率的计算误差在5%之内。在考虑流动转捩后,由于桨叶表面存在层流区域,计算所得旋翼悬停效率高于全湍流假设下的预测值,而桨叶表面的层流区域与旋翼拉力大小有关。在流动转捩发生的区域,转捩过程会对桨叶截面压力分布以及桨叶展向扭矩分布产生明显影响,同时桨叶表面出现明显的流动分离现象。对于桨叶展向拉力分布和桨盘下方旋翼尾迹桨尖...     

基于欧拉方程的一种机翼气动弹性计算方法

利用一种双时间方法求解三维非定常欧拉方程，采用无限插值理论生成O－H型代数网格，考虑了机翼变形时的网格生成问题，通过与气动力方程的联立求解，在时间域内用二阶龙－库塔方法求解机翼弹性运动方程。计算结果表明，本计算方法具有较高的计算效率，所计算的颤振临界速度与风洞实验一致。     

亚音速、时间域内机翼的气动弹性分析方法

本文在时间域内,利用亚音速完全非定常气动力计算方法和机翼运动方程的联合求解,计算了机翼在不同速度下的动态响应,且可根据机翼振动状态的衰减和发散来确定机翼的颤振速度。算例结果表明,本文方法得到的颤振速度与其它方法是一致的,且可明显地给出亚临界及超临界等各速度下机翼的运动规律。     

热电偶涂层对导向叶片温度测量影响的数值研究

为分析涂层测温结构对航空发动机涡轮导向叶片表面温度测量精度的影响,建立了测温结构的数学模型。以热流耦合理论为基础,采用SST-γ-θ湍流模型求解动量和能量方程,研究了涂层位置、涂层厚度和前缘形状对叶片待测区域温度的影响。研究表明:考虑转捩的SST-γ-θ具有较好的数值计算精度,其温度计算结果与试验误差不超过10%;当涂层前缘位于转捩点附近时,涂层对测量精度的影响较大;与叶盆中部和叶背前缘相比,涂层对叶背中部和叶背尾缘的测温精度影响较小;当涂层厚度小于总温边界层厚度时,测量精度几乎不受影响;将涂层前缘加工成圆角可以有效减小涂层对叶盆面测温精度的影响。     

窄通道内层流-紊流转捩区流动与传热特性分析

为了研究壁面加热对窄通道内层流-紊流转捩点的影响,通过测量转捩区的阻力与传热特性,间接分析了转捩起始点的影响因素,并结合流迹显示实验对流动传热实验结论进行了验证.研究表明:壁面加热导致层流-紊流转捩延迟,粘性变化对转捩过程的影响非常小,加热导致径向速度剖面发生变化是影响转捩的主要因素;此外,转捩区的壁面温度沿轴向不是线性变化,层流突变导致局部努赛尔数的轴向变化存在一个拐点;层流突变点处的局部努赛尔数及局部雷诺数主要受入口雷诺数的影响.     

风力机专用翼型气动结构一体化设计

基于保角变换理论,提出了风力机专用翼型气动结构一体化设计方法。该方法结合西奥道生理论和B样条曲线对风力机翼型进行参数化表达;以翼型气动和结构性能最优为目标,建立了翼型优化数学模型;运用RFOIL软件求解气动特性、利用Matlab求解翼型结构特性,结合改进的遗传算法对翼型进行优化设计。优化得到相对厚度为21%的新翼型CQUL210,并将该翼型与国际知名的风力机翼型DU93-W-210进行了对比分析,结果表明:在设计攻角范围内,新翼型在自由转捩和固定转捩条件下气动性能都更加优越。有限元分析结果表明,新设计的CQUL210翼型的结构性能优于DU93-W-210翼型。本文方法对提高叶片捕风能力和减轻叶片质量具有重大意义。     

高超声速边界层转捩的油膜干涉测量技术研究

高超声速边界层转捩预测对于飞行器的设计十分重要。在Φ500 mm常规高超声速风洞中开展了高超声速平板边界层转捩的油膜干涉测量技术研究。为了快速、准确地测量表面摩擦阻力因数,针对高超声速风洞的运行特点,对常规油膜干涉测量技术进行了改进,采用高速相机记录干涉条纹图像,并在实验中采用热电偶实时测量模型表面温度变化来修正硅油黏度因数。实验测量了光滑表面平板和布置单个方形粗糙元平板的表面摩擦阻力因数。光滑表面平板的边界层为层流流动状态;增加方形粗糙元后,粗糙元在其后方产生的尾涡促进了边界层流动转捩为湍流状态。并且实验测量的不同状态下的表面摩擦阻力因数与数值计算的结果相吻合,表明该实验方法具有较高的精度。     

轴流风机叶片表面层流边界层解

在全三元流动计算获得了叶片表面速度分布的基础上，对一台０．８０ｍ直径的轴流式通风机进行了叶片表面层流边界层求解．首先用积分方法导出了适用于计算机解的层流边界层微分方程，然后进行了计算并获得了所有层流段边界层的物理参数．该项研究成果为边界层的控制和叶片优化，以及风机损失计算和效率的提高提供了依据．     

二维层流边界层流动方程解的一个数值探讨

本文讨论了拟线性化方法在求解定常二维层流边界层方程中的应用,并采用有限差分将Falkner-Skan方程的边值问题化为数值方程计算,避免了使用传统的初值方法求解该方程的困难。数值比较表明,拟线性化数值解的结果和文献中的Evans准确解是相当满意地一致。     

基于N-S方程的弹性机翼载荷分析方法研究

以N-S方程为控制方程计算机翼气动力，考虑机翼的结构弹性的影响，采用结构影响系数法建立结构平衡方程计算弹性变形，两个方程相互迭代耦合求解，计算弹性飞机飞行中的真实载荷，并在已知弹性机翼飞行时总载荷的情况下，确定结构弹性在飞行中对载荷的贡献。     

基于Fluent的边界层转捩仿真研究

基于Fluent软件,利用已有的RANS求解器,采用SST k-omega湍流模型,对Aerospatiale-A翼型流体绕流问题进行了数值模拟,分析了不同攻角下翼型流场的速度与压力分布云图,并在攻角为13.1°与13.3°条件下,将仿真计算结果与国外风洞实验数据进行了对比分析。结果显示,在该条件下,能够观测到边界层转捩现象,并且直接数值模拟结果与已有的风洞实验数据吻合,验证了仿真结果的可靠性。