空气动力学学报

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《空气动力学学报》2020年6期pdf合集

2020, 38(6): .

摘要(63) PDF(35)

摘要:

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壁温对钝三角翼边界层稳定性及转捩影响

马祎蕾, 余平, 姚世勇

2020, 38(6): 1017-1026. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0235

摘要(122) HTML (49) PDF(27)

摘要:
选择典型的高超声速流动条件，基于线性稳定性理论研究了不同壁温条件对典型大后掠角平板钝三角翼外形高超声速三维边界层流动稳定性及转捩的影响。研究表明，壁温比的增加促进横流和第一模态波的增长，第二模态波受到抑制，钝三角翼表面N值分布的变化呈现随壁温比增加先减小后增大的特点，预示在高壁温比下（绝热壁附近，约0.8）将出现转捩反转；转捩反转的内在机理在于壁温比对不同模态彼此相反的影响规律以及在不同位置不同的影响量值，导致在低壁温比区壁温比的增加主要影响第二模态，引起转捩延迟，而在高壁温比区壁温比的增加对第一模态的影响超过了对第二模态的影响，转而造成转捩前移。

基于POD方法的合成双射流流场模态分析

刘强, 罗振兵, 邓雄, 王林, 周岩

2020, 38(6): 1027-1033,1046. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0232

摘要(140) HTML (61) PDF(27)

摘要:
为更深入地了解合成双射流自身的流场特性，开展了PIV实验研究，分析了一个周期内流场涡结构的演化特征，对实验数据进行了本征正交分解（POD）模态分析，详细分析了各阶模态所表征的流动结构、时间系数及其频谱特征。结果表明，合成双射流激励器的两个腔体交替压缩形成两股相位差180°、相互卷积吸引的旋涡对，能量效率和工作频率倍增；前四阶POD模态占据了流场80.5%的能量，对应的时间系数的频率分别为激励器的工作频率和二阶谐频；POD前两阶横向模态呈对称分布，后两阶呈反对称分布；而前两阶流向模态则呈反对称分布，后两阶呈对称分布，反映了合成双射流流场的对称性特征。

鸭式布局大迎角复杂涡系干扰与控制技术

刘沛清, 易渊

2020, 38(6): 1034-1046. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0022

摘要(84) HTML (33) PDF(138)

摘要:
为了充分探讨近距耦合鸭式布局在大迎角机动飞行中的气动特点和控制技术，通过总结大量的流动显示和测力测压实验，以大迎角下鸭翼涡和主翼涡的干扰机理研究结果为基础，开展了鸭式布局涡系控制研究，旨在提出一种有效可行的大迎角鸭翼涡控制技术。结果表明：在鸭式布局中，鸭翼涡和主翼涡之间的干扰方式主要表现为涡系诱导、卷绕和破裂，特别是在大迎角下鸭翼涡与主翼涡在主翼头部区域通过诱导作用，在向下游发展中相互卷绕合并成单一集中涡，该集中涡后期因受逆压梯度和黏性的作用而出现破裂，由此将会明显损失涡升力，同时增加阻力。在这种情况下，如果对鸭翼进行展向吹气，可通过控制鸭翼涡，影响主翼涡的演变，改变涡系的诱导和卷绕，从而可以有效延迟主翼涡的破裂，达到增升减阻的作用。鸭翼展向脉冲吹气是通过迟滞效应而节省吹气量的有效方法，实验发现提高占空比、脉冲频率，可以使布局在较低的引气量下达到连续吹气的增升效果；在相同的增升效果下，脉冲频率越高，脉冲占空比越大，节省的吹气量也越大，在28°迎角时以0.3的吹气动量系数进行频率为5 Hz、占空比为0.2的脉冲吹气，即可达到以0.25的吹气动量系数连续吹气的升力幅值，节省吹气量可达76%。

转子叶尖间隙对风扇气动特性及单音噪声特性影响的数值计算

王良锋, 杨野, 乔渭阳, 杨党国

2020, 38(6): 1047-1055. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0010

摘要(107) HTML (48) PDF(23)

摘要:
由于叶尖间隙会降低叶轮机的工作效率，并且会增大噪声辐射强度，因此在叶轮机设计和运行过程中需要特别关注这一设计参数的具体影响。基于叶轮机单音噪声流场/声场混合预测模型，研究了不同转子叶尖间隙对单级轴流风扇气动性能和单音噪声强度的影响规律。研究发现，转子出口尾迹宽度和尾迹强度都随转子叶尖间隙的增大而增大，但是尾迹相位分布几乎没有改变，因此当尾迹与下游静子叶片干涉时，主要影响静子叶片表面的非定常载荷强度，而不会影响其主要的相位分布；2.5 mm的叶尖间隙（0.94%叶片高度）使得风扇流量减小了约2%，风扇效率下降了约1%，向前传播的1倍叶片通过频率（Blade Passing Frequency，BPF）单音噪声声功率级增大了1.5 dB，向后传播的1BPF单音噪声声功率级增大了0.7 dB；叶尖间隙变化对2BPF和3BPF对应的单音噪声强度影响都小于1 dB。

超声速边界层中的模态转换及壁温影响效应

苏彩虹, 宋明真

2020, 38(6): 1056-1063. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0048

摘要(96) HTML (23) PDF(23)

摘要:
对于马赫数大于4的超声速边界层，Mack第二模态起主导作用。根据感受性的研究，生成第二模态的一个重要途径是，边界层内的快模态在下游演化过程中因相速度“同步”而发生模态转换。采用数值方法研究了超声速平板边界层中快模态到第二模态波的模态转换过程，通过定义模态转换系数和模态转换区间，建立了适用于多个不同壁面温度条件下的模态转换系数和转换区间与扰动频率之间的模型公式。在此基础上，基于线性稳定性理论，发展了包含模态转换过程的扰动演化的计算方法，并采用抛物化稳定性方程进行了验证。结果表明，在较广泛的壁面温度条件下，该方法可以准确计算包含快模态到第二模态转换过程的幅值演化。该方法由于考虑了第二模态的生成机制，比原有的基于线性理论的转捩预测方法更加具有物理依据。

两连发射弹出入水的轴对称超空泡流动特性

施红辉, 周东辉, 周栋, 贾会霞

2020, 38(6): 1064-1074. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0102

摘要(129) HTML (41) PDF(21)

摘要:
基于N-S方程的有限体积法，引入VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型分别建立了两连发射弹入水、出水运动的计算模型，并进行了数值计算。分别获得了两连发射弹入水和出水过程的超空泡演化规律和超空泡压力场变化。并结合超空泡演化规律，分析了超空泡演化过程对两连发射弹入水速度衰减、浸彻位移变化的影响，分析了超空泡演化过程对射弹出水速度、阻力系数的影响。研究结果表明：对于两连发射弹入水，后发射弹入水撞击阶段受到的冲击载荷比前发射弹的小，前、后发射弹各自诱导的空泡相互融合成1个空泡，后发射弹最终完全被超空泡包裹，后发射弹能够追上前发射弹并发生碰撞，碰撞后在空泡壁面上出现了一个波动现象，并且存在波动的空泡壁面易发生崩溃；对于两连发射弹出水，前发射弹诱导的超空泡遇到自由液面后被剥离在水面下，而前发射弹甩掉水层后进入到空气中飞行，在前发射弹剥离的超空泡的影响下，后发射弹会发生脱离自身超空泡、进入前发射弹超空泡、超空泡溃灭、生成新的局部超空泡等行为，这与单独的超空泡射弹出水有很大的区别。

高焓风洞一体化数值模拟及其对气动特性影响

傅杨奥骁, 董维中, 丁明松, 刘庆宗, 江涛

2020, 38(6): 1075-1082,1101. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0194

摘要(83) HTML (31) PDF(20)

摘要:
基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路，通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程，开展了JF-10高焓激波风洞典型运行状态下流场的数值模拟，分析了喷管出口及试验段流场的非均匀性，研究了不同模型位置和攻角等试验条件下，不同数值模拟方法对试验模型气动力/热特性的影响规律。研究表明：1）由于喷管的扩张效应，喷管出口及试验段流场存在一定的非均匀性，在一些情况下，试验模型的流场特性可能会受到影响；2）与传统的将喷管和试验段模型流场解耦的数值模拟方法相比，采用一体化数值模拟考虑了喷管出口气体的扩张特性，可以提高高焓风洞流场数值模拟精度；3）解耦方法与一体化计算方法的差别大小受模型位置、攻角等多种因素影响，试验模型距喷管出口距离和模型攻角越大，解耦方法造成的误差越明显。基于一体化数值模拟的思想，数值计算可以更加深入地理解高焓风洞模拟特点，为风洞试验设计和试验测量数据对比分析奠定基础。

斜坡型涡流发生器控制叶栅角区分离的数值模拟

尚东然, 刘艳明, 季路成, 朱榕

2020, 38(6): 1083-1092. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0197

摘要(72) HTML (27) PDF(13)

摘要:
压气机平面叶栅端壁附面层的发展以及吸力面-端壁角区流动分离是造成压气机内部流动损失的重要原因。为了最大程度地减弱角区分离，改善叶栅气动性能，采用数值模拟方法对叶栅通道端壁上微尺度斜坡型涡流发生器进行了几何优化，分析了叶栅流场特性，同时进一步研究了涡流发生器对平面叶栅攻角特性的影响。结果表明：涡流发生器产生的流向涡与通道涡及端壁横向流动相互作用使得通道涡和端壁横向二次流发生偏转，抑制了通道涡向吸力面的发展，并将主流高能流体卷入角区，增加了角区流体动量，削弱了角区分离，使得叶栅出口处流场更加顺畅；涡流发生器的几何尺寸直接影响流向涡的强度；通过依次优化涡流发生器的高度和长宽比，最终确定涡流发生器的最优方案为h=4 mm、b=4 mm、l=12 mm，该方案使得出口截面总压损失降低了7.82%；设计攻角下涡流发生器的作用效果最好，随着正负攻角的增加，损失降低程度下降，其中攻角为-8°和8°时，损失较原型分别下降了1.91%和5.29%。

自由端狭缝吸气控制三维方柱绕流

曾令伟, 王汉封, 彭思

2020, 38(6): 1093-1101. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0205

摘要(142) HTML (44) PDF(27)

摘要:
利用大涡模拟（LES）方法研究了顶部定常狭缝吸气对正方形截面有限长柱体的气动力与绕流特性的影响规律。对比了吸气系数Q=0、1、3时的气动力特性及绕流情况，尤其是自由端附近的流动结构。Q=U/U_∞，其中U为吸气狭缝入口风速，U_∞为自由来流速度。研究发现，顶部定常吸气可以有效地抑制三维柱体气动力，且Q=1时抑制效果最为显著，相对于无控制工况，时均阻力$\overline{C_{D}}$、脉动阻力C'_D和脉动升力C'_L分别减少了3.92%、19.08%和40.88%。在Q=1时，柱体自由端负压和压力脉动最为显著，有利于柱体两侧形成上升流；顶面压力脉动最强有利于自由端剪切流与尾流间的动量交换，可以有效地抑制柱体展向涡脱落，减小柱体气动力；同时柱体顶面流动出现再附分离现象；而在Q=3时柱体顶面大部分区域流动分离被完全抑制。

“国家数值风洞自主可控关键技术”专栏简介

2020, 38(6): 1102-1102.

摘要(54) HTML (70) PDF(35)

摘要:

国家数值风洞(NNW)通用软件同构混合求解器设计

陈坚强, 马燕凯, 闵耀兵, 赵钟, 何先耀, 何琨

2020, 38(6): 1103-1110. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0177

摘要(144) HTML (48) PDF(40)

摘要:
针对未来复杂计算流体力学模拟的需求，在国家数值风洞“风雷（PHengLEI）”软件中，针对流场求解器设计了区域混合计算策略，即在不同类型的网格上运行不同的求解器，实现区域混合模拟，采用典型算例进行了验证。与传统多求解器松耦合的“异构”模式不同，风雷软件中设计了“同构”模式的混合求解器。“同构”模式的混合求解器基本思想是：计算域由不同类型网格组成，在不同类型的网格上可运行不同类型的求解器，不同求解器之间在交界面通过数据底层交换信息，其特点是“紧耦合”。区域混合计算能够充分发挥不同类型网格、不同求解器的优点，未来也可以在不同的网格区域上加载不同学科的求解器，是面向未来多学科、多方法、多区域紧耦合模拟的关键技术。作为一种典型的混合求解方案，结构/非结构混合求解时，在结构网格上运行二阶/高阶精度结构求解器，在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器，以实现在关键流动区域采用高质量网格、高精度方法的工程实用化目的。首先介绍混合计算所涉及的域、交界面等基本概念，然后设计混合计算所需的数据结构，以及混合计算策略。最后，通过高超声速圆柱绕流和双椭球绕流两个案例，在结构网格上运行二阶或WCNS高阶精度求解器，在非结构网格上运行二阶精度非结构求解器，验证“同构”混合计算的可行性和有效性。

湍流边界层与高温气体效应耦合的直接数值模拟

吴正园, 莫凡, 高振勋, 蒋崇文, 李椿萱

2020, 38(6): 1111-1119,1128. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0132

摘要(101) HTML (48) PDF(38)

摘要:
针对高超声速湍流边界层开展了直接数值模拟研究，对高温气体效应与湍流的耦合作用机理进行了分析。研究表明，高温气体效应使边界层内平均温度显著降低，平均密度显著升高。对于湍流脉动量，高温气体效应对温度脉动有较强的抑制作用，而对流向及壁面法向速度脉动和密度脉动的影响趋势在近壁面区域和边界层外层是相反的。在近壁面区域，流向和壁面法向速度脉动和密度脉动都被增强，而在边界层外层，高温气体效应则会抑制该速度脉动和密度脉动。在整个边界层内，高温气体效应使展向速度脉动降低。对于边界层内的雷诺应力，在y⁺>500区域，高温气体效应会使雷诺应力值减小；而在y⁺ < 500的近壁面区域内，高温气体效应明显增大了雷诺应力值，进而增强了湍流引起的动量交换，从而使壁面处速度梯度增加，最终使摩擦阻力增加。对壁面热流，高温气体效应引起的较明显的平均温度降低使得壁面温度梯度降低，导致热流降低。高温气体效应使壁面平均压强和脉动压强均增加。

增强优化格式在声散射问题中的应用

武从海, 马瑞轩, 王益民, 张树海

2020, 38(6): 1120-1128. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0135

摘要(101) HTML (23) PDF(19)

摘要:
优化差分格式一般用于气动声学和湍流等多尺度问题的数值模拟，这类格式为了获得更精确的数值结果通常牺牲了收敛精度阶数。文献[1]中构造了一种七点模板上最高阶精度格式与优化格式的加权组合格式，该格式达到了最优阶收敛精度，并获得了更好的谱分辨率性质。由于该格式比普通优化格式具有更好的谱分辨率性质，这里称其为增强优化格式。本文将讨论基于不同优化格式构造的增强优化格式，通过线性传播方程的数值测试选取表现相对较好的增强优化格式，然后针对声波散射问题进行数值模拟与分析。结果表明，该格式计算结果与六阶中心紧致格式相近，但所需计算时间更短；此外，增强优化格式为显式格式，因此相比紧致格式更容易处理边界条件以及更容易进行并行计算。

基于关联速度的FW-H积分四极子声源修正模型

周志腾, 王洪平, 王士召, 何国威

2020, 38(6): 1129-1135. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0141

摘要(120) HTML (39) PDF(24)

摘要:
FW-H积分中的四极子声源项常在远场噪声的计算中引起虚假声源问题。这类虚假声源是由于计算四极子声源的积分域不能包含全部声源区域，Lighthill应力张量穿过四极子声源的积分域边界引起的。本文在频域方法的框架下改进了四极子声源项的修正模型，用于修正Lighthill应力张量穿过积分域边界引起的误差。该模型基于泰勒冻结流假设，利用关联函数计算Lighthill应力张量的对流速度。与常用的均匀来流对流速度相比，本文提出的模型考虑了对流速度的空间非均匀性，改善了非均匀流动区域FW-H积分面对远场噪声的影响。二维对流涡和圆柱绕流的远场噪声验证了本文模型的有效性。

基于结构系综理论发展可靠工程转捩模型的一种新思路

毕卫涛, 唐帆, 胡永煌, 佘振苏

2020, 38(6): 1136-1148. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0123

摘要(128) HTML (40) PDF(14)

摘要:
边界层转捩是一个科学与工程难题。当代工程转捩模型建立在间歇因子的唯象演化基础上，包含大量的经验参数和关联函数，其物理意义模糊导致适用范围不明确。随着高速流动的物理新因素的增加，出现了模型复杂性迅速增长，而可靠性越来越低的尴尬状况。根本性的瓶颈在于缺乏完整的湍流边界层理论，这一状况在壁湍流的结构系综理论诞生后出现了显著变化。该理论将固壁对湍流脉动形成的对称性约束表述为形成少数个结构系综，利用结构系综的广义拉伸对称性假设，完成了对于规范边界层平均速度和湍动能的完整剖面的统一描述，与大量实验和计算数据精确符合。将该理论应用于描述边界层的流向变化，便自然形成了从层流到过渡区再到湍流充分发展区的三系综刻画，实现了对转捩全过程的完整描述。本文提出了一个构建典型工程边界层转捩模型的新思路：依据实验和可靠的计算数据确定转捩边界层的流向结构系综，提炼反映转捩边界层物理状态和相似性的多层结构参数，进而形成物理图像清晰、定量描述精确的新型转捩模型。针对自由来流湍流诱发的平板边界层强迫转捩和有攻角的高超声速尖锥转捩两类流动，证明了上述思路的可行性，获得了对大湍流度下平板转捩的全分量、全流域的精准理论描述。将所发展的SED-SL代数转捩模型应用到高超声速尖锥的计算，得到了与实验一致的计算结果。通过细致刻画边界层流动的多层结构系综，有望推动转捩模型研究进入一个物理化、精确化的新阶段。

国家数值风洞(NNW)集成框架系统研发

白汉利, 陈晓梦, 蒲巧

2020, 38(6): 1149-1157. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0120

摘要(111) HTML (26) PDF(38)

摘要:
在当前空气动力学研究中，各类求解计算程序缺乏与其配套的前后处理平台，容易降低研究人员的工作效率和软件的实用性。针对这一问题，NNW集成框架系统作为国家数值风洞项目（NNW）中数值模拟软件平台的重要组成部分，将前处理软件、求解计算程序、后处理软件集成于统一的集成环境，针对未来E级高性能计算的特点，以中间件为框架核心，按照一定的工作流模型集成多种功能模块，通过过程集成的方式，实现数据集成、计算集成、分析集成。同时，NNW集成框架系统支持对各类求解器的调度、作业管理、实时监控，为用户提供自动化多学科计算平台。通过在实际计算环境下运行计算案例，表明该集成框架系统能够为用户提供完整的计算工具链，快速定制一套或多套网格，并将与之配套的前处理和后处理计算结果可视化。

国家数值风洞(NNW)软件自动化集成与测试平台设计与研发

何磊, 郭勇颜, 曾志春, 赖相成, 赵钟

2020, 38(6): 1158-1164. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0126

摘要(142) HTML (41) PDF(65)

摘要:
针对“国家数值风洞”（National Numerical Windtunnel，NNW）工程大型通用“风雷”（Platform for Hybrid engineering simulation of flows，PHengLEI）CFD软件研制的需求，为了提升CFD软件的开发效率，设计与开发了NNW-PHengLEI软件持续集成与测试平台。该平台包含自动化测试、自动化持续集成和代码管理等部分，将现代软件工程中先进的开发模式引入到大型CFD软件开发中来，并结合CFD软件开发的特点，构建了软件开发环境，来促进CFD软件的发展。本文首先介绍了平台的基本框架和总体设计思路，阐述了在PHengLEI软件开发过程中，基于CFD软件开发的特点而设计形成的自动化持续集成方案和更加完善的自动化测试体系，然后给出了自动化测试平台和自动化持续集成在大型CFD软件开发中的应用效果，最后对平台构建的后续工作进行了展望。

国家数值风洞(NNW)验证与确认系统关键技术研究进展

赵炜, 陈江涛, 肖维, 杨福军, 吴晓军, 陈坚强

2020, 38(6): 1165-1172. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0138

摘要(132) HTML (40) PDF(84)

摘要:
系统、科学、严格的验证与确认是计算流体力学软件可信度评价和保证的必经途径。验证与确认系统是在软件的全生命周期，包括开发、测试、应用和更新阶段，从科学计算的角度为软件质量提供全方位的保证。本文从方法、数据和工具三个方面详细介绍了NNW工程验证与确认系统的关键技术研究进展。在方法方面，从误差和不确定度来源的数学特征出发，发展了相应的估计和量化手段，初步构建了可信度评价体系，这为如何进行验证与确认、可信度评价提供了技术基础。在数据方面，从流动现象层次分析出发，建立了多维度的从简单到复杂物理现象耦合的标模算例体系，为验证与确认活动提供了可靠的基准数据。在实验工具方面，数据库和可信度平台开发为方便实施验证与确认提供了高度自动化工具。文章最后对下一步工作进行了展望。

柔性仿羽毛结构抑制边界层转捩的初步探索

叶正寅, 洪正, 武洁

2020, 38(6): 1173-1182. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0094

摘要(138) HTML (64) PDF(50)

摘要:
通过观察，发现存在展向流动时鸟类柔性的羽毛侧缘会卷起，这对展向流动起到了额外的阻碍作用，即流向和展向的阻力特征是不同的。为了研究羽毛表面的这种各向异性阻力特征对边界层转捩流动的影响，本文从宏观角度出发建立了一种唯象力学模型来刻画表面的各向异性。然后，运用直接数值模拟的方法研究了该模型对平板边界层转捩的影响。自由来流马赫数为0.2，基于入口处边界层排移厚度的雷诺数为732。研究结果表明，在模型抑制展向流动的作用下，平板边界层转捩明显推迟，不同的参数下至少可以推迟一倍以上距离。即使在流动进入湍流状态后，壁面的摩擦阻力系数也大大降低，维持在与层流摩擦系数相当的水平。转捩位置的推迟和湍流区摩擦阻力的降低都有利于降低平板的阻力。如果考虑卷起的羽毛侧缘对流向流动带来额外阻力，这会使得转捩提前，减阻的效果降低。此研究结果一方面揭示了鸟类飞行的部分奥秘，另一方面也为边界层被动控制措施提供了一种新的思路。

《空气动力学学报》2020年总目次

2020, 38(6): 1183-1190.

摘要(42) PDF(11)

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2020年第38卷第6期

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