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2020年  第38卷  第2期

全文
《空气动力学学报》2020年2期pdf合集
2020, 38(2): .
摘要:

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综述
离散时空直接建模思想及其在模拟多尺度输运中的应用
刘畅, 徐昆
2020, 38(2): 197-216. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0018
摘要(172) HTML (32) PDF(156)
摘要:
统一气体动理学格式是基于离散空间直接建模的思想构建的多尺度数值格式。本文对统一气体动理学格式近十年的发展进行总结,并对未来的发展方向进行展望。统一气体动理学格式的建模思路突破了传统偏微分方程数值离散求解的制约,回归物理建模的出发点,基于守恒定律在离散时空有限尺度的控制体上进行建模,利用网格界面处的动理学方程时间演化解构建数值通量,从而构造出有限控制体上取决于网格尺度和时间步长的气体动力学控制方程。统一气体动理学格式建模有两个关键点:一是宏观守恒量与微观分布函数耦合演化,二是通过界面处的多尺度时间演化解构建数值通量。统一气体动理学格式是一种多尺度数值格式,根据网格努森数能够准确捕捉从稀薄到连续不同流域的流体物理。从某种意义上说气体动理学格式提供了有效的随不同网格努森数变化的连续性方程,即连续流的纳维-斯托克斯(N-S)方程和稀薄流的波尔兹曼(Boltzmann)是统一气体动理学格式在网格努森数很小和很大情况小逼近的两个极限方程。对于连续流的黏性边界层问题的捕捉,统一动理学格式不要求网格尺度小于粒子平均自由程。统一气体动理学格式成功应用于多尺度气体输运,等离子体输运,中子、光子输运,以及气固离散两相流等领域的数值模拟,在计算精度和计算效率上都体现出明显优势。尤其对于等离子体的输运计算,统一气体动理学格式提供了一个在连续变化尺度上的模拟方法,包括从求解电子、离子的自由输运的Vlasov动理学方程到连续流域内的双流体方程以及磁流体方程。本文总结了统一气体动理学格式的建模思想,数值性质,以及格式在不同领域的应用。
关于约束大涡模拟方法的一些思考
夏振华, 史一蓬
2020, 38(2): 217-223. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0003
摘要(153) HTML (40) PDF(172)
摘要:
高雷诺数壁湍流是工程设计和应用中非常重要的问题之一,其高效高精度的模拟方法一直是湍流研究的重要研究方向。约束大涡模拟方法(CLES)是近些年提出的新模拟方法之一,和传统的RANS/LES混合方法不同,CLES在全场做LES计算:在靠近壁面的内区,它采用带约束的亚网格模型,而在外区,它使用传统的亚网格模型。经过近10年的努力,CLES方法已经在不可压/可压缩附着流、不可压缩/可压缩分离流等经典算例中得到了验证,并成功应用于航空气动中复杂流动的模拟。本文在介绍CLES方法基本原理的基础上,对CLES方法应用中的一些问题进行了讨论,最后对CLES方法的未来研究方向也做了一些概括。
研究论文
基于能量等效原理的颤振机理及颤振导数识别
刘磊, 管青海, 李加武, 刘健新
2020, 38(2): 224-231. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0118
摘要(123) HTML (51) PDF(77)
摘要:
桥梁和风是相互作用的流固耦合系统,风对桥梁的作用效应可以分为阻尼效应和刚度效应。首先基于能量等效原理将Scanlan线性颤振自激力分为纯阻尼效应项H1*A2*,纯刚度效应项A3*H4*和既有刚度效应又有阻尼效应的双重效应项A1*H2*H3*A4*。将颤振自激力进行积分运算分别求出其阻尼效应项的做功时程和刚度效应项的无功时程并从功能角度对经典耦合颤振驱动机理进行了研究,最后通过将耦合颤振微分方程转化为功能方程形式,提出了一种基于自激力瞬时做功的颤振导数识别方法并证明了该方法的可靠性。
尺度自适应的离散统一气体动理学格式及在可压缩流动中的应用
许丁, 孙祥, 刘欣
2020, 38(2): 232-243. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0158
摘要(139) HTML (31) PDF(94)
摘要:
基于Boltzmann-Shakhov模型方程,建立其沿特征线离散的一般形式,离散过程中对于碰撞项的处理采用显式和隐式加权平均的方法,其中权系数依赖于当地努森数,可根据当地流动尺度不同进行自适应调节。通过权系数的引入,对文献现有离散统一气体动理学格式进行改进,发展出具有尺度自适应特性的离散统一气体动理学格式(Scale Adaptive Discrete Unified Gas Kinetic Scheme,SADUGKS)。将SADUGKS格式应用于若干典型可压缩流动,对格式的有效性和尺度自适应特性进行了检验,所得数值结果与文献已有结果吻合较好,表明SADUGKS格式是一种求解宽范围努森数变化、跨流域多尺度流动问题的有效算法。
有关有限差分高精度格式两个应用问题的讨论
刘君, 韩芳
2020, 38(2): 244-253. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0073
摘要(79) HTML (19) PDF(112)
摘要:
激波装配法结合有限差分高精度格式是发展全场一致高精度算法的一种途径。在对流场内的间断全部进行装配后,对高精度格式的应用研究成为发展本算法的主要研究问题。本文将有限差分的高精度格式应用于贴体坐标系时发现,对均匀流场,高精度格式因不满足几何守恒律而产生的数值误差比一阶迎风格式大,初步分析认为是由于高精度格式所用的模板比一阶格式更宽,涉及的网格点数更多,从而引入了更多的误差。而作者提出的基于离散等价方程的相容性算法可消除这一误差。此外,本文在利用激波捕捉法求解正方形均匀网格上的正激波运动问题时发现因通量分裂格式的使用,在激波处会产生随着特征线传播的非物理波动,这一波动在激波与网格不完全匹配时表现为多维波动相互干扰的虚假"数值湍流"现象,高精度格式的高分辨率特性使得这一现象更加明显。这是因为激波捕捉法假设激波为空间连续函数,用于包含激波的流场时必然得到数值解表示的过渡区,导致可信度评估困难,使用激波装配法可以避免这一问题。
合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离数值模拟研究
李潮隆, 夏智勋, 罗振兵, 邓雄, 杨升科, 王林
2020, 38(2): 254-259, 267. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0224
摘要(107) HTML (21) PDF(98)
摘要:
为了探究合成双射流激励器及出口射流参数对圆柱绕流流动分离的控制效果,首次对合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离进行了数值模拟。数值计算结果显示:保持激励器出口射流振幅不变的条件下,出口射流频率等于尾迹涡脱落特征频率时,射流控制作用与绕流流场耦合效果最好,控制流动分离效果最佳;保持出口射流频率为尾迹涡脱落特征频率时,在数值计算测试范围内,随着射流振幅的增大,射流对于流场的动量掺混能力增强,控制效果也随之增强。机理分析表明:合成射流位于前驻点的控制,主要通过在圆柱前缘形成虚拟气动外型来达到减阻控制的效果;而合成射流位于后驻点的控制,主要是通过增强回流区的动量掺混来提高回流区抑制分离的能力,从而达到减阻控制的效果。
Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术
赵俊波, 梁彬, 付增良, 张旭, 张石玉
2020, 38(2): 260-267. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0089
摘要(133) HTML (26) PDF(64)
摘要:
为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。
激波加热超声速燃烧室直连式试验台喷管中的化学非平衡流动
翟小飞, 张扣立, 白菡尘, 李国志
2020, 38(2): 268-273. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0100
摘要(121) HTML (38) PDF(101)
摘要:
为了开展飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机直连式试验研究,将中国空气动力研究与发展中心的FD-14激波风洞改造成了激波加热超声速燃烧室直连式试验台。设计了两组喷管,喷管出口马赫数为3.5和4.5,分别用于模拟飞行马赫数8和9的超燃冲压发动机燃烧室入口气流条件。采用Park、Gupta、Dunn/Kang三种纯空气化学反应动力学模型,对马赫数3.5及马赫数4.5喷管中的化学非平衡流动进行了数值模拟研究,并对三种纯空气化学反应模型进行了比较分析。研究结果表明:在喷管收缩段,N2和O2的离解效应显著,而在喷管扩张段,N原子和O原子的复合效应更加显著;马赫数3.5及马赫数4.5喷管出口的NO摩尔分数分别为2.3%~2.57%和4.8%~6.0%,O原子摩尔分数分别为0.04%~0.11%和0.75%~1.25%,N原子摩尔分数几乎为零;在喷管扩张段,流动为典型的"冻结流";三种化学反应模型中,采用Gupta模型时O2和N2的离解程度最大,相应生成的NO及O原子含量更高,但是三个反应模型计算获得的各个组分在喷管内部及喷管出口截面的分布规律是一致的。
双山情况下水平风的加速效应
沈国辉, 姚剑锋, 王昌, 金仁云, 楼文娟
2020, 38(2): 274-280. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0109
摘要(148) HTML (17) PDF(61)
摘要:
为获得双山情况水平风的加速效应,采用计算流体动力学(CFD)方法对左右排列、前后排列和斜列情况双山水平风的加速比和分布特征进行了研究,通过典型工况风洞试验验证了CFD模拟的准确性。研究表明:山体上水平风加速比的分布特征为山前、山顶和山后分别是减速区、最大加速位置和尾流区;左右排列双山的加速比随着山体间距的减少而增加,双山间距为0 m时加速比最大,单山情况加速比最小,单山相当于双山间距无穷远情况;前后紧密排列双山情况下,前山对后山有遮挡效应,后山使得前山的水平风速略微降低,水平风速加速比呈现单山>前山>后山的规律,但三者差别较小;斜列情况下风向角对山顶水平风加速比的影响较小;山体的CFD计算结果与澳大利亚/新西兰规范比较接近,中国规范关于山体加速比的规定比较保守。
专栏——中国流动稳定性和转捩研究40年
“中国流动稳定性和转捩研究40年”专栏简介
2020, 38(2): 281-281.
摘要(78) HTML (28) PDF(56)
摘要:
我的科研经历
周恒
2020, 38(2): 282-285.
摘要(164) HTML (36) PDF(331)
摘要:

在如何发展力学上,20世纪80年代在我国曾经有过一次争论。一种观点认为力学是基础科学,因此就应该按基础科学的路子去发展。也就是说,要强调科学上的创新而不宜强调面向应用。另一种观点则认为力学应该按技术科学的路子发展,即面向技术发展的需求而发展相关的力学。

一百多年前,恩格斯曾经说过,“社会上一旦有技术上的需要,则这种需要会比十所大学更能把科学推向前进”。看来恩格斯的观点是接近于后一种看法的。而20世纪以来力学学科的发展似能证实恩格斯的论断是对的。

但力学的具体发展,是通过一个个人的工作而实现的。为了说明就个人来说,如何做才能做出有创新性的工作,我愿以自己的经历加以说明。我的科研之路大体上可以分为五个阶段。

边界层转捩预测中的局部散射理论
董明
2020, 38(2): 286-298. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0140
摘要(146) HTML (23) PDF(184)
摘要:
随着航空航天技术的发展,工程上对转捩预测精度的要求越来越高。由于飞行器表面经常出现如粗糙元、台阶、缝隙等局部突变,而传统的基于光滑壁面边界层建立的转捩预测模型已无法满足精度要求。因而,发展考虑壁面突变影响的转捩预测方法有重要的实际意义。对于由边界层中模态扰动的累积所触发的自然转捩,局部突变通过局部感受性与线性模态的局部散射两种机制影响转捩位置,故可以通过在传统eN转捩预测方法的基础上引入这两种机制影响的方法建立新的转捩预测模型。为了量化这两种机制的影响,作者与其合作者们提出了一套通用的理论框架——局部散射理论。该理论框架采用大雷诺数渐近理论与有限雷诺数理论相结合的分析与计算方法,定量刻画局部散射系统的两个特征参数——局部感受性系数与透射系数,以预测在局部突变影响下转捩位置的改变量。文章综述了近年来局部散射理论的研究进展,重点展示了该理论在二维层流边界层中黏性与无黏两种失稳机制下的应用。
Stability analyses of leeward streamwise vortices for a hypersonic yawed cone at 6 degree angle of attack
CHEN Xi, CHEN Jianqiang, DONG Siwei, XU Guoliang, YUAN Xianxu
2020, 38(2): 299-307. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0038
摘要(206) HTML (28) PDF(235)
摘要:
The stability of leeward streamwise vortices over a Mach 6 yawed cone with 6 degree angle of attack is investigated by using direct numerical simulation (DNS) and stability analyses including spatial BiGlobal and plane-marching parabolized stability equations (PSE3D). It is found that a pair of strong streamwise vortices inducing low-speed mushroom structure simultaneously emerge in the vicinity of the leeward plane. Theoretical results indicate that both low-frequency sinuous modes and high-frequency varicose modes may play an important role in the breakdown of the streamwise vortices.
温度对高速平板边界层转捩雷诺数的影响
刘智勇, 禹旻, 杨武兵
2020, 38(2): 308-315. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0026
摘要(194) HTML (50) PDF(96)
摘要:
为了深入研究温度对高速边界层稳定性和转捩的影响,并对不同温度条件下的转捩结果进行关联,采用线性稳定性理论和eN方法,对不同壁温、总温条件下的高速平板边界层进行了稳定性分析和转捩预测。温度条件对转捩的影响体现在两方面,一方面会改变快、慢模态的分枝特性,由此改变扰动的线性增长路径;另一方面可以改变边界层本身的不稳定性,引起扰动增长幅值和转捩位置的变化。结果表明,壁温或总温的变化,会产生不同的模态分枝类型,且总温的增加对边界层起稳定作用。另外,发现对于相同马赫数,在不高于1000 K的壁温条件下,扰动的增长与壁温存在一致性的变化规律,结合eN方法,获得了转捩雷诺数与壁温比和N值的函数关系式。利用该公式,可以对不同初始扰动幅值和壁温条件的边界层转捩进行预测和关联。
热化学非平衡高超声速平板边界层线性稳定性分析
陈贤亮, 符松
2020, 38(2): 316-325. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0155
摘要(122) HTML (67) PDF(18)
摘要:
高超声速边界层流动转捩是近期空气动力学研究的热点问题。对于环境扰动较小的自然转捩过程,稳定性分析已被证明是研究扰动演化的重要手段。另一方面,高超声速边界层内的温度会随着马赫数的升高而快速上升,极高的温度会引起所谓的高温真实气体效应,使得量热完全气体假设失效,从而对边界层稳定性和转捩产生影响。本文针对高温热化学非平衡气体,利用空气5组分模型开展了平板边界层的线性稳定性分析,重点研究了热化学过程对模态稳定性的影响,并探究了边界层离散谱模态的演化和同步过程。研究表明,对于由第二模态主导的高超声速二维边界层:(1)扰动相比基本流更趋向于热化学冻结态;(2)扰动方程中新出现的非平衡源项的扰动项对稳定性影响很小,非平衡过程主要是通过改变基本流剖面来间接影响稳定性;(3)声速是影响第二及更高模态的重要参数,热化学平衡态假设引起的声速计算式的变化能够解释边界层温度和厚度降低时第二模态频率反而降低的非常规趋势。
Sensitivity of wavepackets in subsonic coaxial jets
ZHANG Xingchen, XU Guangchun, WAN Zhenhua, SUN Dejun
2020, 38(2): 326-338. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0143
摘要(89) HTML (38) PDF(95)
摘要:
Coaxial jets are widely applied in Aeronautics and Astronautics. However great limitation generally exists for predicting wavepackets and noise by theoretical models based on linear mechanisms, and the effect of nonlinearity has become a research hotspot recently. The effects of nonlinearity on wavepackets in subsonic coaxial jets with different velocity ratios are studied by adding external harmonic forcing to linear Parabolized Stability Equations (PSE). The present work focuses on investigating wavepacket model of coaxial jets due to the fact that there are two distinct shear layer modes. With the mean flow of coaxial jets, the linear model of wavepackets based on PSE is constructed, while the sensitivity of total disturbance energy with respect to external forcing is obtained by solving the adjoint PSE (APSE). The results show that the sensitivity and flow response reach their maximum around the inner and outer critical layers, both of them turn out to be sensitive to external forcing, while the mutual influence between two instability modes can be identified in the downstream region. Finally, the optimal forcing for the outer mode is obtained using an APSE based optimization methodology, giving rise to more rapid growth of wavepackets.
激波冲击锯齿形界面的气泡竞争实验研究
翟志刚, 郭旭, 司廷
2020, 38(2): 339-347. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0020
摘要(107) HTML (36) PDF(74)
摘要:
通过实验在激波管中研究了平面激波冲击锯齿形界面的流动不稳定性演化过程,重点关注锯齿形界面初始顶角角度对气泡竞争的影响。利用肥皂膜技术生成初始气体界面,并采用高速摄影结合纹影方法对波后流场进行观测。结果表明:在界面发展早期,大、小界面几乎独立发展,说明气泡竞争在早期不起作用;随着时间发展,气泡竞争起作用,且随着锯齿形界面角度改变而变化,角度越小,界面上产生的斜压涡量越大,界面发展越快,气泡竞争越早出现且作用越显著。气泡竞争能够促进大气泡、抑制小气泡的振幅增长,且对小气泡的影响更大。气泡竞争同时会导致尖钉结构扭曲,进而改变界面总体振幅。气泡头部位移差在进入非线性增长之前会经历两个线性阶段,且第二个线性增长率较小,表明非线性效应在该阶段具有重要作用,大气泡受到非线性效应的影响更大。不同条件下的气泡位移差无法归一化,说明初始顶角角度对气泡竞争和界面演化具有重要影响。
NPLS技术在高超声速边界层转捩研究中的应用
易仕和, 刘小林, 陆小革, 牛海波, 徐席旺
2020, 38(2): 348-354. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0044
摘要(193) HTML (43) PDF(138)
摘要:
基于纳米粒子示踪平面激光散射技术(Nano-tracer-based Planar Laser Scattering,NPLS)是作者自主研发的一种流动显示与精细测量技术。在超声速条件下,NPLS技术具有很高的时空分辨率和信噪比,已经成功应用于超声速复杂流动现象的精细测量,包括超声速混合层、超声速平板边界层、超声速压缩拐角、激波边界层干扰等。近年来,该技术被进一步应用到高超声速边界层转捩研究中。本文主要介绍了NPLS技术在高超声速静音风洞喷管边界层流态测量、高超声速圆锥边界层转捩以及三角翼边界层转捩等研究中的应用。高超声速条件下NPLS研究结果与高频传感器、温敏漆等测试技术得到的结论一致性较好,表明NPLS技术在高超声速边界层转捩研究中具有良好的应用前景。
高超声速边界层转捩预测中的关键科学问题——感受性、扰动演化及转捩判据研究进展
苏彩虹
2020, 38(2): 355-367. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0056
摘要(139) HTML (28) PDF(211)
摘要:

随着临近空间高超声速飞行技术的发展,预测高超声速边界层转捩位置的需求变得越来越迫切。由于高超声速实验很难做,不可能做得很多,因此像低速飞行器那样的半经验预测方法恐怕很难可靠地实现。为此,需要理解转捩所包含的关键物理过程,在此基础上,发展基于物理机理的转捩预测方法。目前,对于高超声速边界层,转捩预测的不确定性主要来自于转捩过程的一"头"一"尾",即感受性和转捩判据。本文将分别介绍这两方面的最新研究进展和尚存在的问题,特别是有关圆锥边界层具体的感受路径和横流转捩的机理。之后,讨论了在边界层扰动演化方面的问题,包括eN方法在三维边界层中的积分策略,及在高超声速边界层中遇到的第一模态到第二模态的模态转换问题。最后,总结了在完善转捩预测方法上面临的问题和挑战。

高超声速流动稳定性及转捩工程应用若干研究进展
黄章峰, 万兵兵, 段茂昌
2020, 38(2): 368-378. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0047
摘要(149) HTML (47) PDF(193)
摘要:
流动稳定性及转捩是高超声速流动研究的热点和难点,近年来在理论基础研究方面取得了很大进展,但在工程应用方面还存在明显的不足。本文回顾了近年来高超声速流动稳定性及转捩在工程应用研究的若干进展,介绍了流动稳定性在复杂外形流、非平行流、局部突变流、强三维流方面的工程化拓展研究,总结了转捩预测eN方法在感受性、积分方法、转捩判据、软件开发方面的工程化研究进展;结合风洞试验、弹道靶试验、飞行试验,对零迎角锥、椭圆锥、小迎角锥和大迎角锥的典型案例进行了应用;展望了高超声速流动稳定性和转捩在工程应用的未来。
流向弯曲壁超声速湍流边界层研究进展
孙明波, 王前程, 王旭, 刘源
2020, 38(2): 379-390. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0059
摘要(147) HTML (29) PDF(146)
摘要:
流向弯曲壁面上的超声速湍流边界层特性是流体力学的重要科学问题,掌握其规律对提升高超声速飞行器设计水平有重要意义。国内外在该问题上的研究已经持续了50余年,近年来随着实验测量和数值模拟能力的提高,在流向曲率的影响机理上取得了突破性进展。本文系统梳理了流向凸曲壁及凹曲壁的超声速湍流边界层的演化机制,介绍了流向曲率、压力梯度和体积膨胀/压缩等关键因素的影响规律,总结了流向凸曲壁边界层湍流衰减的特性与成因,以及凹曲壁边界层中Görtler不稳定和逆压梯度增强湍流的特性与成因。最后归纳其发展趋势,为下一步开展弯曲壁超声速湍流边界层研究提出了建议。
高超声速边界层转捩的若干问题及工程应用研究进展综述
段毅, 姚世勇, 李思怡, 余平
2020, 38(2): 391-403. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0041
摘要(301) HTML (108) PDF(280)
摘要:
高超声速飞行器绕流存在着激波、边界层、流动分离、稀薄气体效应和高温气体效应等多种复杂流动现象的空气动力学问题,其中高超声速边界层转捩既是空气动力学的基础问题,也是高超声速流动研究的热点和难点。若能对边界层转捩进行准确预示及有效控制,则可以实现对飞行器气动力热特性的精细设计,改进飞行器性能,提高任务执行能力。文章针对工程中具有复杂外形飞行器存在的典型失稳特征进行了研究进展回顾,提出了工程实际中亟需解决的复杂边界层转捩问题,明确了高超声速边界层转捩研究的工程应用方向。文章最后还对高超声速边界层的流动控制进行了回顾,以期在今后高超声速飞行器设计中实现对边界层的流动控制,提高飞行器的飞行性能。