激波/边界层干扰流动数值模拟格式的应用研究

通过Newton类型的伪时间子迭代格式实现第n时间层至第n 1时间层的精确推进，发展了一种具有二阶时间精度、全隐式LU-SGS-τTS方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程组(RANS)；同时还对比了显式四步R-K-τTS和原始LU-SGS方法的计算结果。采用改进的Jameson中心、Van Leer和Roe格式对N-S方程组的对流项进行空间离散；迎风格式通过MUSCL插值提高格式精度，并采用光滑且连续可微的通量限制器消除求解过程中的数值振荡。利用上述时间方法和空间格式进行组合，分别对二维翼型、三维机翼激波／边界层干扰流动中的几个极具挑战性的状态进行模拟，通过结果相互间及与实验结果的对比，对它们作出评价。     

激波与边界层干扰研究综述

综述了激波与边界层干扰的研究工作,其内容涉及定常激波－边界层干扰的一般特性、气动加热、理论研究、数值模拟以及非定常激波－边界层干扰的若干问题。     

射频放电等离子体激励对激波/边界层干扰的控制效果

在空气静止、气压为12 kPa（对应超声速风洞试验段的气压）条件下,研究射频放电等离子体的光谱特性;在马赫数为2的超声速来流中,研究射频放电等离子体激励对激波/边界层干扰非定常性的控制效果. 实验结果表明：在相同的激励频率下,随着加载功率的增大,表征电子温度的相对光谱强度增大,而表征振动温度和电子密度的相对光谱强度基本保持不变;保持加载功率不变,随着激励频率的增大,表征电子温度的相对光谱强度先增大后减小,而表征振动温度和电子密度的相对光谱强度没有明显变化. 在未施加激励时,激波振荡的主导频率为低频;在施加射频放电等离子体激励后,激波低频振荡减弱,高频振荡增强,激波特征频率从低频转向高频,再附边界层出现高能量漩涡结构.     

抽吸激波管壁面边界层特性的研究

本文用差分方法求解激波管壁面有抽吸或质量引射时的层流边界层方程组,得到边界层内的速度分布和温度分布随抽吸或引射速度y、入射激波马赫数M、距离x(抽吸时间t)的变化规律。算例表明,边界层抽吸对激波管壁面边界层的特性有重要影响,使边界层厚度明显减薄,同时使壁面摩擦应力和热流率增大。     

超燃冲压发动机进气道内激波/边界层干扰研究

外界存在多种因素引起隔离段反压增加,将直接影响到进气道内波系的结构和强度,进而影响到因激波诱导而分离的边界层情况．在设计状态下,建立二维的进气道模型,运用RSM湍流模型,对单个超燃冲压发动机进气道隔离段内复杂流场进行数值模拟．得到对应不同反压时,超燃冲压发动机进气道的激波与边界层相互作用情况．研究发现,反压为0时,隔离段内分离区较大,出口马赫数较低,尾部波系较弱,为燃烧室稳定燃烧提供有利条件．随着反压的增加,即使总压恢复系数有所增加,但隔离段尾部的气流稳定性降低．因此,要合理调节隔离段反压大小,以便更好地协调总压损失和尾部气流稳定性的矛盾,对于进气道工作最优化的控制起到一定的参考作用．     

水中激波聚焦的数值模拟

本文利用修正的ＣＣＷ方法,计算了在椭球反射腔中的水激波聚焦行为,并与实验进行比较,所得结果与实验很好地吻合。     

激波诱导火焰变形的数值模拟

在充满氢气空气混合气体的激波管中,对激波诱导火焰变形失稳的过程进行数值模拟.根据计算结果讨论流场中激波结构与火焰形状的变化情况,同时给出激波诱导火焰燃烧转爆轰的形式和发展过程.结果显示:激波与火焰作用过程中存在λ结构和二次激波诱导区域的形成,入射激波马赫数为2.3时形成爆轰.     

含脱体激波流场的数值模拟仿真

利用经典的质点网格法进行了含脱体激波的超音速流动的数值模拟，绘出了形象直观的超音速流动图画，且模拟流场中的各项参数与实验符合较好，为今后进一步探讨复杂形状物体的超音速运动提供了基础．     

吹吸气流控制粉尘的试验与应用

论述了吹吸式通风在工业中使用的优越性和可行性,通过理论分析及大量试验,寻求出合理的流量比,研究了影响吹吸式通风的多种因素,认为鸭嘴形多喷口具有较好的气流出射角,形成的气幕扩散角和气幕厚度亦较小,吸风口增加挡板改变了吸气流场的分布,合适的挡板对污染气体的控制有利。     

竖直加热平板对流边界层的数值模拟

为了研究壁面温度和来流速度对边界层特性的影响,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对空气流过竖直加热平板的对流边界层特性进行数值模拟.采用k-ε模型和SIMPLE算法分别对不同壁面温度的自然对流和不同来流速度的混合对流进行模拟计算,得到温度分布和速度分布,通过分析结果表明:高温对边界层特性的影响很小,而随着空气来流速度的增大,速度边界层和热边界层的厚度减小,最大速度增大.     

Shock wave-boundary layer interactions control by plasma aerodynamic actuation

This study demonstrates the potential for shock wave-boundary layer interaction control in air by plasma aerodynamic actuation. Experimental investigations on shock wave-boundary layer interactions control by plasma aerodynamic actuation are conducted in a Mach 3 in-draft air tunnel. Schlieren imaging shows that the discharges cause the oblique shock to move forward. Schlieren imaging and static pressure probes also show that separation phenomenon shifts backward and the size of separation is enlarged when plasma aerodynamic actuation is applied. The intensity of shock wave is weakened through wall pressure probe. Furthermore, numerical investigations on shock wave-boundary layer interactions control are conducted with plasma aerodynamic actuation. The discharge is modeled as a steady volumetric heat source which is integrated into the energy equation. The input energy level is about 7 kW through discharge process. Results show that the separation phenomenon shifts backward and the intensity of shock is reduced with plasma actuation. These numerical results are consistent with the experimental results.     

间断洪水波高精度数值模拟与应用

基于守恒型浅水二维方程,采用三单元模板的加权本质无震荡(WENO)格式插值界面两侧守恒变量,并采用Roe方法计算界面处数值通量,建立了平面二维溃坝水流数学模型.为使模型总体精度不致因为时间离散而降低,源项采用三阶Runge-Kutta方法进行处理,时间步进采用自适应步长法.验证结果表明数学模型计算结果与精确解基本一致,间断处数值解无明显震荡,具有高分辨率和高精度.数学模型应用于坝体溃决后水流在干河床上运动、河道部分堤防溃决后水流同时在河道以及洪泛区的演进过程以及天然复杂地形条件下实际工程溃堤方案的比选等预测计算.     

用格子Boltzmann方法模拟圆柱绕流的振荡边界层

提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的新方法——旋转系统平均法。该系综由一些相同的系统组成,每个系统除使用不同的网格外,具有相同的流动。经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现,流体质点的流动具有平行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点,同时也发现在紧邻圆柱出现的被称为二次流的4个涡旋流动现象。数值模拟结果符合经典的理论结果。该方法也可用于其他圆柱绕流问题。     

底吹氩钢包内三维流场的数值模拟

利用商业Phoenics软件对某钢厂230t钢包底吹氩精炼钢包内钢液的流场进行数值模拟计算,并从流场分布和湍动能分布等角度分析了不同喷嘴布置和不同吹气量对钢包内钢液混匀效果的影响。结果表明,底吹氩钢包内透气元件采用0．6R-β布置可避免钢液对包壁所造成的严重冲刷,且有利于减少钢包内钢液的混匀时间,从而获得较为理想的搅拌效果。     

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。     

激波绕尖劈障碍物运动粘性流场的数值模拟研究

本文以数值方法研究了运动激波绕射的非定常粘性流的发展过程．计算中采用二阶ＴＶＤ差分格式求解二维非定常薄层Ｎａｖｉｏｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，得到了清晰的流场结构图谱，分析了产生局部粘性分离的现象．研究结果表明，本文的方法可以很好地描述激波绕射的复杂流动，对流场间断有较高的捕获能力，同时表明在激波障碍物干扰的绕射场研究中局部粘性效应作用是不可忽视的重要因素     

用PLM格式进行喷管内瞬态激波的数值模拟

在喷管流动问题的数值模拟中,激波的捕获一直是一个研究的重要方面.本文应用二阶精度Godunov型的PLM格式来求解Euler方程,采用非结构化网格,对喷管内瞬态激波的运动及发展进行了研究,并分析激波运动、反射、衍射及相互作用的规律.计算结果表明,PLM法可以用于非结构网格的喷管流场计算中,所得到的数值解较好地反映了瞬态激波结构的有关特征和信息.