超音速平板边界层湍流的直接数值模拟及分析

用时间模式对来流Mach数为4.5的平板边界层湍流进行了直接数值模拟. 发现当湍流充分发展后, 其平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布都具有相似性. 但压缩性效应已较强而必需考虑, 强Reynolds比拟不再有效, Morkovin假说不再成立. 从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程, 其间上述相似性不成立.     

雷诺时均模拟的两种转捩模型比较

对两种基于RANS方程的转捩模型进行分析讨论,这两个模型都只需采用局部变量计算,其中SST-γ-Reθt模型基于实验经验公式,层流动能模型基于转捩现象。两个模型都被耦合到RANS低雷诺数湍流模型中,并通过不同工况下T3系列平板的数值计算对模型进行评估。结果表明转捩模型较原湍流模型需要消耗更多计算资源;相对层流动能模型,SST-γ-Reθt模型对y+更为敏感,在无压力平板算例中两个模型能够较为准确地预测转捩,只有在湍流度增大时,SST-γ-Reθt模型预测的精度才会下降;在有压力梯度情况下,两个模型预测转捩起始点都较实验值延后,当来流雷诺数较大时层流动能模型预测的转捩长度较实验值偏小;从平板上不同位置(层流区、转捩区和湍流区)湍动能的分布情况能够看出SST-γ-Reθt模型只是在数值上模拟转捩过程,并不考虑转捩内在规律,层流动能模型预测结果与实验值较为吻合。     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性

以模型超燃冲压发动机为研究对象,该文设计了一种边界层燃烧装置,基于考虑边界层转捩的四方程Transition SST湍流模型,化学反应动力学模型采用9组分27步反应的氢气/氧气反应模型,对边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性进行数值模拟研究.结果 表明:引入边界层燃烧可以使超燃冲压发动机燃烧室壁面摩擦阻力得到大幅...     

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、DhawanNarasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

翼面吸气混合层流控制的数值研究

本文采用Menter发展的γ-Reθ转捩/湍流模式预测平板和超临界RAE-2822翼型的转捩特性,验证了该转捩模式的有效性和可靠性,同时获得网格分布等规律.在此基础上开展某超临界翼型上表面及其前缘结冰时吸气层流控制后的转捩预测,分别获得干净和结冰外形下混合层流控制对转捩的影响规律.结果表明,合理设计的层流控制对干净翼型表面转捩推迟明显,能有效减阻;在结冰情况下,层流控制几乎失效.     

B-C转捩模型的标定与应用

针对流体动力学中的转捩问题,利用基于当地关联的B-C转捩模型,克服了包含输运方程的转捩模型会改变计算过程中的方程个数的缺点,使用间歇因子函数修正S-A湍流模型的生成项来实现转捩模拟功能;并在零压力梯度平板的实验数据基础上对该转捩模型进行了标定。运用B-C转捩模型对二维低速流动问题进行了数值模拟研究,计算结果与实验的对比表明:标定后的B-C转捩模型可以更准确模拟平板算例的转捩位置;在中低雷诺数范围内,标定后的B-C转捩模型可以很准确地计算中等攻角下的翼型的气动力参数。     

可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

高升力多段机翼的转捩预测研究

本文采用Menter等发展的基于局部变量的γ-Reθt湍流转捩模式对平板和NLR7301翼型开展了转捩模式验证工作,进而对带有前、后缘襟翼的多段机翼流动转捩进行了数值模拟.研究结果表明,转捩对于多段机翼的气动特性具有较大影响,数值模拟可为多段机翼中襟翼偏角、间距等设计提供有益指导.     

湍流边界层的空间模式DNS的入口条件

湍流边界层的空间模式直接数值模拟(SDNS)的入口边界条件, 应能反映上游湍流的特性, 这是一个难题. 建议将由时间模式直接数值模拟(TDNS)得到的充分发展湍流流场(只需要一个时刻的流场)以适当方式转换成SDNS的入口流场. 计算证实该方法可行且有效. 还发现在适当的时空转换关系下, 由时间模式和空间模式所得的充分发展湍流的各种统计量, 不仅在定性上, 而且在定量上均符合得很好. SDNS得到的充分发展湍流的平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布也都具有相似性.     

北京大学大气环境模式PUMA的改进及其在沈阳地区的应用研究

为拓展北京大学大气环境模式(PUMA)的应用, 对其进行两方面的改进。首先, 用新一代中尺度气象模式WRF提供气象场驱动PUMA; 其次, 新增非局地湍流扩散系数Grisogono方案。 为验证改进后的模拟能力, 将PUMA运用于沈阳地区冬季大气SO₂污染研究。模拟结果和观测比对表明: WRF可以提供合理的气象场; PUMA可以模拟出SO₂浓度月尺度变化和日变化; Grisogono方案在中午对流边界层条件下对模拟结果有所改善。SO₂浓度有明显的日变化, 白天浓度低, 夜间浓度高, 模拟结果表明SO₂浓度和边界层高度的日变化成负相关。改进后的PUMA可以在大气环境预报预警中得到应用。     

竖直加热平板自然对流边界层中流动稳定性与转捩过程的？…

对恒壁温竖直加热平板的自然对流边界层的流动稳定性与转捩过程进行了试验研究，研究结果表明在外层速度剖面拐点处测得的线性不稳定性的特性与Ｂｒｅｗｓｔｅｒ和Ｇｅｂａｒｔ的计算基本一致。在低频成分处先增长后，随着Ｇｒａｓｈｏｆ数的增加高频成分迅速发展，在湍流化过程中逐渐形成浮力子区，与此同时，在内层近壁处的测量发现，在更高频段存在一种具有较强选频特性的不稳定波及其亚谐波，并在转捩后期Ｇｒ≈３７８．６时于其     

超声速边界层气动光学效应及控制研究

光学成像制导技术是精确制导武器研究的重要课题，气动光学效应的存在对制导精度产生严重的影响，使飞行器偏离目标位置，甚至脱靶。飞行器和来流之间的相互作用导致其周围流场结构非常复杂，激波、膨胀波以及湍流边界层的存在，使得流场的折射率在空间上分布不均匀，在时间上存在高频脉动。其中，边界层转捩过程引起的气动光学畸变是亟待解决的最大难题。边界层转捩过程是边界层由层流向湍流发展的过程，是一个多因素耦合影响的强非线性、复杂的流动现象，并且一直是湍流研究领域的热点问题。超声速边界层的转捩区具有非常强的非定常性、随机性，且脉动频率高，因此折射率分布极为复杂，光线透过后不仅会发生偏折，还会导致成像模糊和能量分散，严重影响成像制导的精度，通过光学校正的方法很难降低这种影响。本文试图通过延迟边界层转捩，来降低甚至消除超声速边界层转捩对光学传输性能的影响。以超声速旋成体飞行器光学窗口周围的边界层流场为研究对象，本文采用添加扰动片的流动控制方法对边界层气动光学效应变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明：随着攻角的增大，光程差分布由沿着对称面对称分布逐渐过渡为沿流向的变化，且逐渐平缓；施加了扰动片控制后，原本处于光...     

复杂流动机理及预测方法研究

针对气动噪声计算问题,经过2年的研究,主要进展如下:(1)研究了高精度湍流模拟技术的数值方法。首先发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器,并进行了系统测评;在此基础上,针对激波模拟精度,提出了带宽耗散优化方法(BDOM),发展了MP-LD格式,结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。(2)采用高精度湍流模拟技术研究了复杂流动机理。利用MP-LD格式和ASTR程序,对激波/各向同性湍流干涉(SITI)和激波/湍流边界层干涉(SBLI)等进行了DNS和机理性的研究。结果表明:湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复,而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性;由于来流速度脉动的影响,激波表面形状会发生变形,较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游,并增加激波的强度。(3)研究了压气机三维角区分离流动机理和湍流模型改进。针对角区分离流动,首先开展了先进实验测量和高精度数值模拟,为机理研究和湍流模型改进提供丰富的数据库。其次,提出了基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型的新方法,并针对SA湍流模型,提出了两种改进方法:一是修正模型系数Cb1;二是基于当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制。其中,基于螺旋度改进可以"自适应"计入湍流非平衡输运特性,可以"自适应"实现对不同工况下压气机三维角区分离流动的准确模拟。(4)研究了压气机转静干涉机理和时均模拟方法。针对转静干涉噪声,团队提出了时均模拟技术和线性谐波法相结合的快速非定常数值模拟思路。该课题首先采用非定常数值模拟技术,研究了转静干涉机理;其次改进了交界面处理方法,深入分析了确定性相关项的分布特点和对时均流场的影响特性,发展了确定性相关项模型,发展完善了时均模拟技术,为下一步和线性谐波法相结合,实现对转静干涉噪声源的快速非定常计算,提供坚实的基础。(5)建立了气动声学知识库系统和噪声机理知识。首先建立了国际上首套气动声学知识库系统;其次对大攻角超音速流动,发现了机翼上表面存在一种激波/滑移面共存结构,发现了一种新的气动噪声来源;最后针对气动声学重要来源之一的点涡与物体的相互作用,建立了一套点涡群对多物体受力影响的基本理论。     

基于不同湍流模型的挡板绕流数值模拟

为了对比研究不同湍流模型在预测挡板绕流过程中的准确性与差异性,基于所设计的新型抛光粉尘湿法处理系统,分别选取了标准(Standard)κ-ε、重整规划群(RNG)κ-ε、剪切应力传输(SST)κ-ω以及雷诺应力模型(RSM)等4种雷诺时均(RANS)湍流模型,对该系统内不同挡板参数下绕流流动中的涡旋特性进行了数值模拟,并与试验值进行对比.结果表明:上述湍流模型均能较好地刻画装置内部气相旋转流动的主要特征,其中Standard κ-ε与RNG κ-ε模型在涡旋结构预测方面更为准确;在进出口压降及压力分布的对比中,基于Standard κ-ε模型的计算结果较其他3种湍流模型偏差要大;RNG κ-ε模型对涡旋纵向速度的预测结果与试验结果最为接近,而在横向速度的预测中,SST κ-ω模型则表现出更高的准确性.     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题．虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究．文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征．     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题.虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究.文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征.     

分布式粗糙前缘对NACA0012翼型失速特性的影响

以NACA0012翼型为研究对象,分析在全湍和转捩两种流动状态下分布式粗糙前缘对翼型失速特性的影响规律.使用Menter切应力输运模型和γ-Reet(Reθt为转捩动量厚度雷诺数,y为间歇因子)转捩模型,并分别耦合粗糙度模型和粗糙增长因子输运方程对翼型绕流进行模拟,分析翼型失速特性变化及失速前边界层流动发展状况.结果 ...     

超音速平板边界层转捩中层流突变为湍流的机理——时间模式

采用时间模式对来流Mach数为4.5的平板边界层转捩过程做了直接数值模拟, 然后对结果进行分析. 发现在层流-湍流转捩的breakdown过程中, 层流剖面得以快速转变为湍流剖面的机理在于扰动增长后, 对平均剖面进行的修正导致了其稳定性特征的显著变化. 虽然在层流下第二模态T-S波更不稳定, 但在层流突变为湍流的过程中, 第一模态不稳定波却占主导作用.