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2016年  第34卷  第2期

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全文
《空气动力学学报》2016年2期pdf合集
2016, 34(2).
摘要:
卷首语
前言
Hanxin ZHANG, Xiaogang DENG, Zhaolin FAN
2016, 34(2): .
摘要(134) PDF(275)
摘要:
ICCFD8论文专刊
欧洲计算流体力学——个人观点
M. Napolitano
2016, 34(2): 139-156. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0011
摘要(232) PDF(648)
摘要:
介绍了70年代初到20世纪末欧洲科学家对CFD发展的主要贡献,并重点关注了对国际流体力学数值方法会议(ICNMFD)和国际计算力学学术会议(ISCFD)的成功举办具有重大贡献的科学家。ICNMFD始于1969年(新西伯利亚),由参与了美国和苏联太空竞赛的两国科学家联合创办,而ISCFD则作为ICNMFD在亚太地区的同类会议初创于1995年(东京)。由Oshima教授和本人提议,得益于上述两个会议全体科学委员会成员的共同努力,ICNMFD和ISCFD自2000年开始,合并成为每两年举办一次的国际计算流体力学会议(ICCFD)。绝大部分本文讨论所涉及的学者通常都在受邀进行大会报告后,成为了前述三大国际会议中的一个或多个科学委员会的成员。作者对文中讨论所涉及的研究人员的圈定负有全权责任,上述人员的选择更多地基于应用而非理论计算流体力学,因此尚存在不完善之处。此外由于文中所讨论的学者大都是作者在40多年计算流体力学研究生涯中的私交好友,因此并没有将年轻一代的科学家考虑进来,但这并非由于他们的贡献不重要。另外值得注意的是欧洲的计算流体力学同美国的计算流体力学有非常紧密的联系,本文讨论所涉及的研究学者有些最早从欧洲开始涉足计算流体力学而现在则生活和工作于美国(例如Glowinski, Roe, Van Leer等人),而有些则是在美国取得了博士学位(例如Launder, Napolitano),他们都同美国的科学家进行过合作,因此很难清晰地对欧洲和美国的计算流体力学进行界定。对那些现已移居美国的欧洲科学家们,本文优先考虑了他们移居之前的贡献。最后但并非是最不重要的,作者通过电子邮件一一联系了文中所涉及的科学家,希望他们本人能够给出其自身贡献的评价草稿,从而帮助作者以最权威的视角在文中相应章节对其工作进行评述。本文向提供自述评价的诸位致以谢意,同时也希望其他同仁能够对本人不恰当的擅自评述给予谅解。
中国CFD史
张树海, 李沁, 张来平, 张涵信
2016, 34(2): 157-174. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0001
摘要(334) PDF(753)
摘要:
本文简要回顾了中国的CFD史,早在20世纪70年代,在钱学森教授的建议下,一些中国学者对计算流体动力学(CFD)这一新型学科产生了浓厚兴趣并开始研究。从那时起,中国的CFD逐渐发展繁荣起来,特别是从世纪之交,中国CFD非常活跃,为航空航天和其他民用领域做出了巨大贡献。在中国,特别注重CFD的研究与物理分析的结合。本文首先介绍了M5A的概念,它概括了中国CFD的主要研究领域;随后,介绍了设计格式的原则,以此原则为指导发展了一系列格式,比如NND格式、ENN格式和紧致格式。最近,发展了一系列高阶精度数值格式并应用于实际外形的复杂流动计算。再后,讨论了求解气动方程的网格尺寸准则。最后,回顾了如流动分离、流动拓扑结构和结构稳定性理论、旋涡沿其轴向演化和Hopf分叉理论、动导数和飞行稳定性等代表性工作。
含摩擦和加热的跨声速流动数值模拟研究
William E. Tavernetti, Mohamed M. Hafez
2016, 34(2): 175-181. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0008
摘要(133) PDF(321)
摘要:
喷管中跨声速流动的反应流体动力学是实验和理论研究的一个重要领域。本文主要由两部分构成,在第一部分中对文献[2]中的Murman格式[1]的一般形式进行了简化,得到了守恒形式的欧拉方程,并对其求解方法进行了讨论,同时针对Chattot等的工作展开了分析,并给出了带激波的流动计算结果;而文章的第二部分则研究了包含摩擦、加热以及耗散的跨声速流动,并重点关注了一步Arrhenius化学反应模型下的爆震现象。本文还探究了摩擦力和带燃烧的跨声速流动之间的相互作用,同时详细给出了新的欧拉方程数值求解算法并同已有文献算例进行了对比验证。
带反馈控制的基本带翼外形的耦合气动/运动数值模拟研究
席柯, 阎超, 黄宇
2016, 34(2): 182-189. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0005
摘要(201) PDF(457)
摘要:
介绍了一种先进的、时间精度的多学科数值模拟平台的开发和应用,该平台可用于预测飞行器机动过程中的非定常气动特性和飞行力学特性。通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体动力学方程及控制律,对基本带翼外形进行了虚拟飞行数值模拟研究。求解器采用基于结构网格的有限体积法,时间方法采用双时间步方法。使用反馈控制器获得舵偏控制指令,重叠网格方法用来模拟物体间的相对运动。模拟结果显示控制器的增益必须正确选择才能获得正确的响应。仿真结果表明本文发展的虚拟飞行数值模拟方法能够预测包含动边界的复杂非定常流动,具有较强的工程适用性。
含激波的湍流流动高精度大涡数值模拟方法
D. V. Kotov, H. C. Yee, A. Wray, A. Hadjadj, B. Sjögreen
2016, 34(2): 190-203. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0009
摘要(155) PDF(286)
摘要:
针对采用亚格子模型进行含激波的湍流流动模拟时会面临激波附近的精度损失问题,考虑从通过亚格子模型以及数值模拟方法两方面的改进来实现湍流流动大涡模拟的精度提高。大涡模拟采用了Yee及Sjögreen(2009)提出的高阶低耗散方法。该方法采用自适应的流场探测器以控制计算中所需区域的数值耗散,并考虑对动力学模型采用在激波位置使用Sagaut 和Germano(2005)提出的单边亚格子过滤器和(或)直接禁用亚格子项等方法加以改进。对于标准的马赫数1.5和3条件下的激波-湍流干扰问题,上述新方法相较于全区域采用亚格子模型的方法均表现出了相似的精度提升。同时实现的数值精度改进方案采用了Harten的亚单元分辨过程来定位和锐化激波,并在精确激波位置附近的网格点处采用了单边测试滤波。
三维机器鸟自主飞行的涡动力学分析与控制
朱霖霖, 关晖, 吴锤结
2016, 34(2): 204-213. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0007
摘要(209) PDF(335)
摘要:
鸟类通过翅膀的拍动和旋转运动提供飞行的驱动力和升力。本文研究了机器鸟翅膀的旋转幅度和旋转时间对飞行的状态影响,发现适当地选取这两个参数可以控制机器鸟在水平方向和竖直方向上的速度。本研究主要使用了两个工具:在不可压粘性流体中自主飞行的三维机器鸟和一个三维计算流体力学软件包,后者包含了浸入边界法(IBM)、体积函数法(VOF)、自适应多重网格有限体积法和游动与飞行的控制机制。
基于非结构自适应网格和嵌入边界法的残差格式研究
R. Abgrall, H. Alcin, H. Beaugendre, C. Dobrzynski, L. Nouveau
2016, 34(2): 214-223. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0010
摘要(177) PDF(504)
摘要:
嵌入边界法由于在求解NS方程时能够简化网格生成问题而在计算流体领域受到越来越广泛的关注。简言之,嵌入边界法能够简化大变形和运动条件下多物理流动模拟、流固相互作用耦合问题,然而壁面边界条件的精确处理仍旧是该方法需要解决的问题。在本文工作中,为考虑壁面边界条件而在NS方程中增加了补偿项,同时采用非结构网格自适应技术保持了壁面边界条件的精度。
基于间断有限元方法的可压缩混合层中大尺度结构和压缩性效应的数值模拟研究
时晓天, 王伟, 张桂茹, 王铁进, 舒其望
2016, 34(2): 224-231. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0004
摘要(153) PDF(366)
摘要:
基于间断有限元方法(DGM),对二维和三维、对流马赫数Mc=0.4和0.8的空间发展的可压缩混合层进行了数值模拟,并对混合层中的大尺度结构及压缩性效应进行了研究。重点观察了大尺度结构随压缩性变化的全景图像,文中采用λ2方法定义三维流动中的大尺度结构,流场中能够观察到大尺度的涡结构森林。当前数值模拟表明混合层的湍动能和雷诺应力随对流马赫数的增加而降低,这对RANS和LES模型的建立具有一定的参考意义。本研究也表明,间断有限元方法能够成功地应用于可压缩湍流的数值模拟。
冷却系统阻力对汽车总阻力影响的数值预测模型研究
A. Rustem Aslan, Kerem Anbarci, M. Berkay Acikgoz, Omur Icke, Ozgur Aslan, Cenk Dinc
2016, 34(2): 232-238. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0012
摘要(203) PDF(326)
摘要:
采用CFD方法数值模拟了小型汽车发动机冷却系统对全车阻力的影响特性。汽车的内部及外部(发动机舱及舱内)均设置了数值模拟网格。分别计算了散热器及风扇对阻力的影响,采用本校实验结果(散热器压力损失)及制造商提供的数据(散热器及风扇的质量流率)确定初始及边界条件,为基于RNS的CFD提供输入。对汽车轮胎运动模式及行驶速度对散热系统阻力及汽车总阻的影响特性也进行了计算分析。预测结果表明,冷却系统阻力占汽车总阻的6.9%,与实测值吻合。
带自由表面水流的分离涡模拟
张景新, 梁东方, 刘桦
2016, 34(2): 239-251. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0006
摘要(256) PDF(391)
摘要:
目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构。深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型。天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用。RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展。然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少。本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型。模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库。算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构。
基于非结构网格的不可压N-S方程多矩有限体积法
Bin Xie, Peng Jin, Feng Xiao
2016, 34(2): 252-266. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0013
摘要(246) PDF(367)
摘要:
提出了一种基于三角形及四面体非结构网格的有限体积法(FVM),用以鲁棒且精确地求解不可压粘性流动问题。与传统的FVM方法仅将体积分平均值(VIA)作为计算变量的做法不同,本文提出的方法将VIA及点值(PV)同时作为计算变量并在每个迭代步进行计算更新。VIA以通量形式进行计算以确保数值守恒,PV可以通过控制方程的不同形式进行求解更新,无需守恒,因此可以采用非常高效的方法进行求解。将PV作为增加的变量使得紧致网格模板得以实现更高阶精度的重构,而且由此获得的数值模型对于非结构网格变得更鲁棒。本文针对二维/三维的三角形/四面体非结构网格提出了数值格式,给出了几个基准测试算例,验证了本文提出的数值方法在采用非结构网格求解不可压粘性流动问题时的精确性和鲁棒性。
HyperFLOW亚跨声速流动验证
赫新, 赵钟, 马戎, 王年华, 张来平
2016, 34(2): 267-275. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0002
摘要(220) PDF(329)
摘要:
主要介绍了结构/非结构混合CFD软件HyperFLOW的设计开发与验证。HyperFLOW软件在结构网格上采用结构算法,在非结构网格上采用非结构算法,以充分利用两种网格及解算器的优点。首先介绍了软件的体系结构和基本算法,然后采用NASA Trap-Wing高升力外形和DLR-F6翼身组合体,对软件的结构解算器和非结构解算器进行了验证。结果表明,该软件的结构解算器和非结构解算器均有较好的网格收敛性,计算结果与其他参考结果和试验数据均符合较好,具有可接受的可信度。
空中加油系统的多体动力学和CFD仿真
刘钒, 刘刚, 江雄
2016, 34(2): 276-280. doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0003
摘要(205) PDF(549)
摘要:
介绍了作者基于Fortran程序开发的一个多体动力学求解器。依托多刚体系统理论、基于绝对节点坐标(ANCF)法描述的常质量/变质量索梁单元和计算多体动力学方程组求解技术,该求解器可用于分析飞行器拖曳结构中的索-刚体约束系统的动力学问题。本文基于并行CFD求解器PMB3D的动态重叠网格功能,构建了多体动力学和计算流体力学的非定常耦合计算程序。以软式空中加油系统为例,对真实外形飞行器拖曳系统的气动-动力学特性进行了仿真研究。探讨了战斗机构型进行软式加油对接时产生的气动干扰问题,研究了受油机的接近速度和初始偏移量对对接效果的影响。