自由旋转卷弧翼弹箭的气动特性数值分析

为深入研究自由旋转卷弧尾翼弹箭的气动特性，利用计算流体力学方法及滑移网格技术对卷弧翼弹箭开展了时间精确非定常数值模拟。通过与文献对比的方式验证了模拟方法的有效性；分别利用网格无关性和时间步数无关性检验，确定出合适的网格数量和时间步数；在不同马赫数下对比、分析了自由旋转卷弧翼弹箭和固定卷弧翼弹箭的气动特性差异；考虑不同的翼、体差动滚转条件，研究了差动滚转角速度对自由旋转卷弧翼弹箭气动力矩特性的影响。结果表明：由于翼、体连接处黏性涡的强度不同，自由旋转卷弧翼弹箭的滚转力矩系数和马格努斯力矩系数明显小于固定卷弧翼；在马赫数0.8和1.1条件下，自由旋转卷弧翼弹箭的马格努斯力矩系数接近于0,其滚转力矩系数与差动滚转角速度基本呈线性关系，而马格努斯力矩系数与差动滚转角速度呈明显的非线性关系；受翼、体连接处黏性涡的影响，自由旋转卷弧翼弹箭的滚转力矩系数随马赫数增大而急剧减小，马格努斯力矩系数随马赫数增大而急剧增大；上述因素对卷弧翼弹箭的气动特性影响较大，在气动、弹道设计时须予以着重考虑。     

结合CFD技术的跨音速动导数计算方法研究

在非结构化动态网格技术基础上,采用二阶精度的中心有限体积法和全隐式双时间推进方法进行非定常欧拉方程求解.通过建立动导数计算模型,发展结合CFD的飞行器跨音速动导数计算方法.通过三维跨音速非定常欧拉方程的求解,数值模拟了国外动导数计算标模Finner导弹的跨音速非定常绕流问题,进而计算了Finner导弹的跨音速纵向组合动导数,计算结果和文献中的风洞实验结果吻合较好,体现了方法的正确性.     

鸭舵式迫击炮弹气动特性研究

可动双翼鸭舵式新型迫击炮弹的气动布局区别于传统固定鸭舵式修正迫弹,表现出不同的气动特性。基于计算流体动力学方法,采用气动分析软件对某新型迫弹进行气动仿真计算,获得不同条件下弹丸的阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数变化规律及舵翼的受力情况。数值模拟结果表明：弹丸的阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数随攻角和马赫数的增加而增大;舵翼力随舵偏角和马赫数的增加而增大;双翼鸭舵式迫弹整体气动特性良好。计算结果对可动舵翼修正弹的研究及设计具有一定的参考价值。     

有头部攻角的弹丸气动性能的数值计算

运用流体力学数值计算软件对有头部攻角的弹丸气动性能进行了数值计算．分析了有头部攻角弹丸周围流场和作用在弹丸表面的空气动力．结果表明，弹头部相对弹体部有一定转角．能产生较大的控制力和力矩，为发展自适应弹箭提供了数值计算方法．     

有头部攻角的弹丸气动性能的数值计算

运用流体力学数值计算软件对有头部攻角的弹丸气动性能进行了数值计算,分析了有头部攻角弹丸周围流场和作用在弹丸表面的空气动力.结果表明,弹头部相对弹体部有一定转角,能产生较大的控制力和力矩,为发展自适应弹箭提供了数值计算方法.     

飞行器组合及单独动导数数值求解方法研究

基于CFD方法,对于飞行器的动导数精细单独求解方法进行了研究。以纵向为例,使用基于刚性动网格技术的小幅度强迫俯仰振荡方法来辨识纵向的组合动导数,进一步使用小幅度升沉振动法求解时差动导数以及采用圆环域入口附加线性变化速度的方式来模拟定常拉升运动求解阻尼导数2种方法实现动导数的分开单独求解。对国际动导数标准模型Finner导弹进行了计算验证,纵向力矩系数组合动导数以及各单项动导数值与风洞试验以及文献结果吻合较好,使用通过准定常拉升运动求解阻尼导数实现动导数分开求解的方法具有耗时少、精度高的特点,这些方法都能够推广到横航向,实现各个方向的动导数精细单独模拟,为飞行器动态气动设计提供依据。     

基于MRT-LBM大涡模拟的桥梁气动参数数值仿真

为有效模拟桥梁结构的高雷诺数绕流及拓展格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）在桥梁抗风中的应用,将动态Smagorinsky亚格子涡黏性模型嵌入到多松弛时间格式的LBM中。在LBM中,亚格子涡黏性通过网格滤波和检验滤波两次滤波求得,网格滤波以LBM的格子网格为滤波尺度由LBM的局部非平衡矩直接完成,检验滤波在更大尺度上采用有限差分求解。利用亚格子涡黏性修正LBM的运动黏性,构造了一种可以模拟钝体高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-DSM。采用MRT-LBM-DSM结合LBM的移动边界技术对苏通大桥主梁断面的静力三分力系数和气动导数进行了仿真计算。数值模拟结果证明MRT-LBM-DSM可以准确预测湍流流动,可以用于桥梁主梁断面的高雷诺数绕流仿真和计算主梁断面的气动参数。     

风力机翼型边界层分离流动三维特性的数值模拟

针对NRELS809翼型绕流流动分别建立了二维和三维可压缩湍流模型,并进行了相应的数值模拟计算。湍流黏度分别采用基于RANS的Spalart-Allmaras和k-ωSST两种湍流模型来处理。研究结果表明:基于RANS的三维Spalart-Allmaras湍流模型在大攻角下得到了更加细致的涡结构,且更能显示出边界层分离流动的三维特性,计算出的翼型气动性能与实验测试值更接近,因此,Spalart-Allmaras湍流模型比k-ωSST湍流模型在预测翼型失速后气动性能方面更加有效。数值计算结果同时揭示了分离流动的三维特性是影响翼型气动性能的重要因素,而二维模型并不适用于翼型气动性能的计算。     

翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值模拟

发展了一种计算翼型跨音速定常及非定常粘性绕流的数值方法。采用ＬＵ分解隐式三阶迎风格式求解二维非定常可压ＮＳ方程组，紊流模型采用ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ双层代数模型。计算网格采用相对翼型固定的贴体运动网格。数值模拟了ＮＡＣＡ００１２翼型的几种跨音速定常及非定常粘性绕流状态，计算结果同已有的实验数据吻合较好     

4种湍流模型对混流式水轮机压力脉动模拟的比较

采用RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、Transition SST模型和DES模型,在4种网格尺度下对模型混流式水轮机三维全流道非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,分析各模型对水轮机压力脉动模拟的适应性,并进行网格无关性分析.分析结果表明:4种湍流模型都可以模拟出尾水管偏心涡带的形态,但尾水涡带在相位上不同,压力脉动的主频或振幅有差别;湍流模型与网格尺度不是单调线性关系,甚至相反;Transition SST模型比RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、DES模型对水轮机压力脉动模拟的适应性更好,在不同网格尺度下预测的压力脉动主频、振幅和试验结果更加吻合.     

修正湍流粘度的混流泵空化非定常分析

为了减少混流泵空化数值模拟误差和分析泵内空化压力脉动的特征,运用Zwart-Gerber-Belamri空化模型对混流泵的空化性能进行了数值模拟,分析了SST湍流模型和RNG湍流模型对混流泵空化数值模拟的影响,并利用湍流粘度修正后的RNG湍流模型对混流泵的空化性能进行了定常和非定常数值计算。研究表明,无论是在非空化时还是空化时,RNG湍流模型都比SST湍流模型计算的误差小;湍流粘度修正后,RNG湍流模型的误差进一步减小。通过对叶轮进出口和泵出口处的压力脉动进行监测和分析,发现叶轮进口处的平均压力最小,但波动最剧烈;各监测点处压力脉动的主频为叶轮叶频,并且主频的幅值随着进口有效汽蚀余量的减少而增大。     

正、余弦指令控制方式旋转导弹气动特性分析

为了研究正、余弦控制式鸭舵对旋转导弹气动特性的影响,在CFD软件中采用嵌套网格方法模拟导弹的旋转和鸭舵的偏转。在与风洞试验结果进行对比,验证了数值模拟准确性基础之上,对不同转速、迎角、马赫数下正、余弦控制方式旋转导弹的气动特性进行数值模拟,得出如下结论:当采用相同最大舵偏角时,导弹进行正、余弦控制时其法向力系数要比静态条件下小,其侧向力系数和偏航力矩系数要比静态条件下大;导弹进行正、余弦控制时的偏航力矩系数大小要比不控时小;转速的变化对全弹法向力、侧向力特性以及鸭舵提供的法向力影响相对较小;亚声速条件下导弹的侧向力系数和偏航力矩系数数值比超声速条件下大;导弹做锥进运动时,合成迎角Г的变化对周期平均升力系数和侧向力系数影响较小,Г的变大会使周期平均偏航力系数、周期平均阻力系数数值变大;旋转效应是正、余弦控制方式旋转导弹产生侧向力的原因,并且鸭舵、尾翼产生的侧向力占主导地位。     

组合模型对受电弓横风气动特性的影响

针对受电弓-接触网和受电弓-接触网-列车2种组合模型,基于三维可压缩流动的纳维-斯托克斯(N-S)动量方程,采用剪切压力传输(SST k-ω)湍流模式和有限体积法,对2种组合模型中的受电弓在不同横风条件下的气动特性进行了数值模拟和对比分析,并讨论横风风速对受电弓气动载荷的影响,采用量纲分析方法,建立受电弓气动力、力矩系数与横风风速、风向角之间的关系表达式.结果表明：与不考虑列车车体的情况相比,车体的存在改变了受电弓绕流场特性,且对受电弓的气动阻力、升力和俯仰力矩的变化规律产生显著影响,对侧向力、倾覆力矩和侧偏力矩的影响相对较小.研究结果可为横风条件下高速列车受电弓的运行安全性及优化设计提供一定的依据.     

轻型客车侧窗区域气动噪声的数值模拟与验证

应用商用计算流体软件Star-CD,计算了某轻型客车外部非定常流场及其侧窗区域的气动噪声。通过稳态雷诺平均那维尔斯托克斯方法获得气流分离区的分布并预测气动噪声声源位置。采用分离涡模拟方法与计算气动声学方法获得非定常流场特性与侧窗区域监控点的气动噪声声压级。采用激光粒子测速试验结果验证了数值模拟方法的正确性。从非定常气流分离现象和涡流结构特征角度解释了气动噪声产生的主要原因,研究结果有助于在汽车开发早期阶段降低气动噪声。     

覆冰输电导线气动力特性模拟的合理模型

对覆冰导线风洞试验的数值模拟和参数分析是获取气动参数的主要手段。进行了覆冰输电线气动参数数值模拟的几何建模、网格划分、边界条件的选取、湍流模型的选取、求解参数设置等分析研究。明确了加密区首层厚度、层数、厚度、形状及加密条带等对计算结果的影响,得到了合适的网格模型。对k-ε湍流模型、k-ω湍流模型、Realizable k-ε湍流模型、Reynolds应力湍流模型及SST k-ω湍流模型的分析,表明k-ω模型虽然能较好地模拟覆冰输电线的气动力特性,但是对参数比较敏感。k-ε湍流模型的是模拟覆冰输电线气动参数的最合理模型。     

耦合运动的襟翼-翼型气动特性数值仿真

为了研究采用主动后缘襟翼的智能旋翼在高速前飞状态下,耦合运动对襟翼-翼型的气动特性和动态失速特性的影响,通过数值求解Navier-Stokes方程来模拟作挥舞-变距耦合运动的襟翼-翼型的气动特性.湍流模型为雷诺平均的Spalart-Allmaras模型.结果显示,与单纯变距运动相比,当与变距运动同频、同相的挥舞运动耦合后,耦合运动会引起更大的气动系数超调和滞回环;耦合运动会增大黏性干扰区域尺度,使襟翼-翼型失速类型由动态轻失速变为动态深失速;耦合运动会增大力矩系数对流场变化的敏感度.     

三角翼滚转运动下的抖振特性分析

建立了流动控制方程,结构动力学方程与滚转运动方程多学科耦合仿真系统,研究了三角翼滚转情形下的抖振现象.采用N-S方程求解非定常气动力,模态叠加法计算结构动力学方程,数值模拟了60°后掠三角翼无滚转时的气动弹性响应.得到的抖振加速度均方根与实验结果吻合良好.与无黏计算结果的对比表明,空气黏性对抖振加速度起到一定的抑制作用.引入滚转运动方程,模拟了三角翼滚转运动影响下的抖振响应.与无滚转情形相比,滚转运动下流场与低频模态间的耦合效应大幅增强,抖振振幅与加速度均方根比无滚转时明显增大.此外,非对称涡流流场使得背风面的气动载荷和抖振加速度高于迎风面.研究结论可供三角翼结构设计和疲劳分析参考.     

棒束通道单相流数值方法应用特性

为改善压水堆棒束通道单相流与传热的数值计算效率和精度,在不同工况下对无格架四通道及带交混翼格架的5×5棒束通道模型进行数值模拟．采用高质量壁面函数网格和低雷诺数网格,从传热(Nusselt数)及流动(二次流,湍流强度)两方面对不同湍流模型、近壁面处理和近壁面网格的应用特性进行了综合评估．分析表明,Nusselt数受湍流模型及近壁面处理的影响均较大,二次流和湍流强度则主要受湍流模型的影响．雷诺应力模型(RSM)相比于两方程涡黏模型能更准确地预测无格架通道中的二次流,但在格架下游二者无明显差异．所有模型中只有SST k-ω模型结合不同近壁面网格均表现良好．工程计算中使用SST模型加壁面函数网格的方法能同时保证计算效率和精度,数值研究则推荐采用SST模型加低雷诺数网格．     

一种非定常动量源法及在旋翼悬停模拟中的应用

对于含有多个旋转动力单元的流场的求解,其模拟的高效与准确性是研究相关气动布局的关键。而采用动力单元真实模型进行数值模拟的方法,均面临求解效率不高的问题。因此,以旋翼悬停状态为例,首先以薄体网格圆盘代替真实桨叶,建立了高效求解的定常动量源法。接着,在定常动量源法基础上采用扇形网格区域代替真实桨叶,并以该网格区域随时间的变化模拟桨叶旋转,建立了能够模拟桨尖涡生成和发展的非定常动量源法。结果表明,以准确桨叶力分布作为输入的动量源法能够得到较为准确的旋翼尾流,验证了桨叶几何模型对尾流的影响主要体现在桨叶力分布之上;而所建非定常动量源法对桨尖涡的模拟取得了较好的结果,且计算网格量及计算时间只有真实模型非定常模拟的1/8左右,具有更高的求解效率。     

圆柱体绕流的数值模拟

采用有限元方法离散求解了雷诺平均Navier-Stokes方程.为了提高流场的分辨率,湍流的模拟采用了亚格子模型的大涡模拟模型,对绕单个圆柱体的绕流问题进行了数值模拟.给出了随时间变化圆柱体周围的流动速度矢量图、柱体上的非定常力系数及数值计算结果与相关实验结果的比较.数值计算结果与相关实验结果具有合理的一致性.