空气动力学学报

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

《空气动力学学报》2022年3期pdf合集

2022, 40(3).

摘要(84) PDF(46)

摘要:

闫昱, 路波, 杨兴华, 郭洪涛, 余立

2022, 40(3): 1-9. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0303

摘要(313) HTML (65) PDF(63)

摘要:
操纵面嗡鸣是飞行器跨声速飞行时发生的气动弹性动不稳定现象。嗡鸣的发生，轻则降低飞行器操纵面效率，重则导致灾难性的飞行事故，是除颤振外飞行器设计部门重点关注的气动弹性难题。操纵面嗡鸣涉及激波与边界层的相互作用，目前尚没有准确预测嗡鸣的计算方法，通常采用风洞试验来获取相关数据。操纵面嗡鸣风洞试验可以利用风洞再现嗡鸣现象，研究嗡鸣特性，是飞行器研制阶段检验操纵面防嗡鸣设计最行之有效的手段。本文回顾了国内外操纵面嗡鸣风洞试验研究现状，梳理了操纵面嗡鸣的发生机理、触发条件及分型依据，对操纵面嗡鸣试验风洞选取、模型设计、试验方法提供了建议，对颤振试验中可能出现的嗡鸣问题提供了判别方法，对后续的工作进行了展望。

螺旋桨中的流动噪声问题

吴佳峰, 黄迅

2022, 40(3): 10-21. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0180

摘要(811) HTML (179) PDF(229)

摘要:
螺旋桨噪声在航空航天和水中装备等领域广泛存在，是气动声学领域的重要问题和难点问题。螺旋桨噪声问题涉及时间和空间上非均匀各向异性的湍流来流，乃至多尺度的湍流结构与叶片之间的复杂干涉作用，对于螺旋桨噪声问题中的物理机制尚需进一步探索。本文首先针对20世纪70年代提出的螺旋桨吸入湍流噪声的基线问题，详述了50年来螺旋桨噪声研究的发展历史，分析和归纳了螺旋桨噪声在理论、试验和计算等方面的研究成果，并对一些尚未解决的难点进行了阐述。接着介绍了转静干涉、吸入边界层湍流等螺旋桨噪声的若干基本问题。最后，结合实际需求，对下一代飞行器、无人机和水中装备等领域的研究历史和发展现状进行了阐述，并对螺旋桨噪声研究的未来发展方向和潜在应用进行了展望。

“格子玻尔兹曼方法及应用”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(3): 22-22.

摘要(119) HTML (105) PDF(21)

摘要:

多层速度格子Boltzmann方法进展及展望

杨鲲, 单肖文

2022, 40(3): 23-45. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0348

摘要(399) HTML (2292) PDF(115)

摘要:
格子Boltzmann方法（LBM）自20世纪90年代问世以来，由于计算高效、实施简捷，在多种复杂流动的数值模拟中得到了广泛应用。传统以平衡态分布函数泰勒展开结合半经验理论推导出的LBM模型需要使用低马赫数假设，一度被认为只能适用于等温弱可压流动的计算。近年来将LBM拓展到可压缩和热流计算的模型日益增多，其中在每个离散速度方向有多个速度模态的多层速度模型，因只使用单一分布函数，物理描述上更接近事实而受到了广泛关注。我们简述了几类典型的多层速度模型的构造思路，包括早期的多层速度模型、Watari-Tsutahara模型、比热比可变多层速度模型和Hermite多项式模型。由于Hermite多项式展开法构造的多层速度模型在数学解释上较为自洽，且其低阶形态与传统等温弱可压LBM模型一致，我们着重梳理和归纳了Hermite多项式模型的构造原理与离散速度模型的求解过程，以及时间和空间离散方法。最后对LBM与传统计算流体力学方法的结合进行了简要介绍，例如LBM有限差分、LBM有限体积和LBM有限元方法，并对LBM多层速度模型目前存在的问题和未来发展方向进行了总结。

格子玻尔兹曼正则化碰撞模型的理论进展

李旭晖, 单肖文, 段文洋

2022, 40(3): 46-64. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0426

摘要(302) HTML (1542) PDF(84)

摘要:
数值稳定性问题一直是困扰格子玻尔兹曼方法在高雷诺数高马赫数流动中广泛应用的瓶颈。在格子玻尔兹曼方法领域改良碰撞模型的数值稳定性和精度一直是近30年来的研究难点和热点。正则化碰撞模型作为众多碰撞模型的一个重要分支，近几年来取得了重要理论进展，目前已在高雷诺数湍流模拟、高马赫数可压缩流动以及气动声学领域得到了广泛应用。本文系统地回顾了正则化碰撞模型的发展历史，并建立了一个系统的理论框架阐述不同正则化碰撞模型之间的理论联系。同时，揭示了正则化多松弛碰撞模型的理论本质，就是在与坐标无关且自相似的矩空间中将离散格子模型表达不了的高阶动理学矩进行快速松弛，以避免虚假模态对水动力学方程的影响。

不可压缩流动的高精度非标准格子玻尔兹曼方法

马超, 吴杰

2022, 40(3): 65-74. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0243

摘要(280) HTML (1914) PDF(57)

摘要:
首先回顾了高精度非标准格子玻尔兹曼方法的发展历程，基于高精度通量重构格式，发展了一种通量重构格子玻尔兹曼方法（FRLBM）。采用两种求解方法：一种是将碰撞项隐式处理，直接求解离散速度玻尔兹曼方程（直接法）；另一种是先执行碰撞步，再求解纯对流方程（分步法）。通过收敛性研究，比较了这两种方法的精度和稳定性。研究结果表明，在小时间步长下两种方法误差近似，都能取得高阶精度；然而当时间步长增大，直接法误差几乎不变，分步法误差出现明显上升。由此表明，当取得近似误差时，直接法可以采用较大时间步长，计算效率更高，且直接法的稳定性略占优。接着通过模拟顶盖驱动方腔流验证了FRLBM捕捉流场细节的能力，并且比较了基于半隐格式的显式方法和一阶、二阶及三阶隐式-显式Runge-Kutta格式的时间离散，在不同雷诺数下的最大允许Courant-Friedrichs-Lewy数，数值结果表明二阶隐式-显式Runge-Kutta格式效果最优。最后数值模拟了圆柱绕流，验证了FRLBM计算复杂外形绕流的可靠性。

广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法

章诗婷, 肖鸿威, 周锦翔, 牛小东

2022, 40(3): 75-86. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0327

摘要(567) HTML (1836) PDF(86)

摘要:
针对不可压缩、非混溶的复杂多相流问题，提出一种广义守恒相场简化多相流格子Boltzmann方法。此方法运用早前发展的简化多相流格子Boltzmann方法（simplified multiphase lattice Boltzmann method，SMLBM），通过采用带有拉格朗日算子的广义守恒相场方程来控制界面的演化并确保每个相的体积和总质量守恒。此外，在单松弛格子Boltzmann方法框架内，SMLBM是通过预测-校正策略来模拟流体系统和跟踪界面演化，其计算过程中仅需要考虑平衡态分布函数的演化，并且平衡态分布函数可直接从宏观量计算得到，因而具有良好的稳定性、高计算效率和边界条件易于实施的优点。本方法继承了SMLBM的优势，能够解决由不同流体组分之间的大密度比和大黏度比引起的界面处大压力梯度问题。为了验证本方法的稳定性和准确性，模拟了包括拉普拉斯定律、液滴透镜、三相泊肃叶流以及复合液滴铺展在内的四个多相流算例。结果表明，本方法能有效地模拟密度比达1200和黏度比达500的复杂界面算例。

一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

王勇, 刘沙, 卓丛山, 钟诚文

2022, 40(3): 87-97. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021-0312

摘要(247) HTML (1840) PDF(63)

摘要:
运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma = 5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。

高速可压反应流的二维简化离散玻尔兹曼模型

林传栋

2022, 40(3): 98-108. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0285

摘要(305) HTML (1878) PDF(28)

摘要:
如何有效模拟高速反应流现象是当前航空航天、能源与动力工程等领域的难点和热点。为此，本文提出了适用于超声速可压缩反应流的简化离散玻尔兹曼模型（DBM）。该模型基于动理学方法，使用形式统一的离散玻尔兹曼方程描述化学反应流的演化过程。在方程右侧，通过化学反应项将化学反应与多物理场自然耦合。该DBM使用二维九速模型，其离散速度分为三组，每组大小独立可调。为了描述分子转动和振动对应的额外自由度，引入了三组独立可调的参数用于描述额外自由度部分的内能。由此，该DBM具备了模拟比热比可调的反应流系统的功能。另外，平衡态离散速度分布函数与化学反应项各自满足九个独立的矩关系，其表达式都可以通过矩阵求逆的方式获得。通过Chapman-Enskog多尺度分析可以证明，该DBM除了能够在连续性极限条件下恢复描述化学反应流的Euler方程组之外，还具有描述一定热力学非平衡行为的功能。最后，通过数值算例表明，该DBM的数值结果与理论解吻合。

单个中性球形颗粒在三维方腔中的运动

李洋, 夏振华

2022, 40(3): 109-119. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0435

摘要(254) HTML (1691) PDF(50)

摘要:
采用多松弛格子Boltzmann方法模拟了单个中性球形颗粒在三维顶盖驱动方腔流中的运动。考虑了展向弱受限的对称边界和强受限的固壁边界两种情况下初始位置、颗粒大小以及雷诺数的影响。对于展向弱受限的情形，发现颗粒的初始位置显著影响着最终的运动轨迹。根据相图被划分为三个区域：外层稳定区、内层稳定区以及涡中心区域。通过对颗粒受力的分解解释了其在极限环上运动的机理。此外，还详细介绍了球形颗粒在极限环上的顺时针旋转运动。随着雷诺数的增加，颗粒逐渐向外围靠近，不断旋转达到相应的极限环轨迹。对于选定的初始位置，观察到在高雷诺数时大颗粒向外迁移，而在低雷诺数时大颗粒的极限环靠近涡中心。对于展向强受限的情形，极限环与颗粒的初始位置无关。随着雷诺数的增加，除方腔左上角外，极限环轨迹有向外迁移的趋势。最后，随着颗粒尺寸的增大，极限环向方腔内部收缩。

大密度比双气泡在孔板结构微通道内上升行为的格子Boltzmann方法模拟

严裕, 娄钦

2022, 40(3): 120-129. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0354

摘要(161) HTML (1916) PDF(21)

摘要:
基于格子Boltzmann两相流大密度比模型模拟了孔板结构微通道内双气泡在浮力作用下的上升过程，主要研究 Eötvös数（Eo）、气泡相对大小、气泡之间的距离以及气泡和孔板间的距离对气泡变形、合并的动力学行为以及气泡上升速度和气泡剩余质量的运动特性的影响。研究发现，随着Eo数的增大，气泡在通过孔板通道时形变越严重，表现为上部气泡和下部气泡在合并过程中所夹带的液泡数量和质量同时增加，且气泡在通过通道的过程中会发生多次接触、合并与破裂；数值结果还表明，随着Eo数的增大，气泡达到顶端的时间增加而气泡穿过孔板的质量减小。另一方面，当上方气泡的尺寸大于下方气泡的尺寸时，两气泡在合并的过程中夹带的液泡数量更少，气泡穿过孔板时更迟缓但能够穿过孔板的气泡质量增多。此外，对于不同的气泡间距离和不同的气泡与孔板之间的距离，发现上下气泡之间的距离过大或者过小时，在气泡的合并过程中都不容易夹带液泡，且气泡穿过孔板的质量随着两气泡之间距离以及上方气泡与孔板之间距离的减小而增加。

声激励下的剪切流稳定性

陈效鹏, 崔率, 万振华, 胡海豹

2022, 40(3): 130-139. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0342

摘要(114) HTML (1815) PDF(20)

摘要:
受控小扰动对流动稳定性与流场结构的调制作用具有潜在价值，但机理和失稳过程目前尚未完全明确。采用格子Boltzmann数值方法，对声场扰动条件下平行剪切流失稳过程开展了直接模拟研究，探讨了流动失稳的机理。研究表明，点源声场作用下的剪切流失稳形式依赖于激励声波的波长—文中定义为长波模式和短波模式，声波振幅的空间分布不均匀性是剪切层失稳的重要诱因。在短波模式下，受多普勒效应影响，剪切层上下两侧声波叠加效应导致流动上游区域压力脉动的波包结构；该结构的波长与剪切层失稳波长匹配，诱导流动失稳发生。在长波模式下，剪切层上声源垂直入射区首先失稳，剪切层对声波反射的方向选择性导致声压波动振幅分布的对称性破缺，且失稳区压力波动波长随时间推进而逐渐减小。当该波长落入剪切层失稳波长范围内时，剪切层流动开始失稳。

多模态瑞利-泰勒不稳定性的离散玻尔兹曼数值研究

陈璐, 赖惠林, 林传栋, 李德梅

2022, 40(3): 140-150. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0345

摘要(520) HTML (1783) PDF(50)

摘要:
瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor，RT）不稳定性广泛存在于自然界和工程领域，认清RT不稳定性演化过程中的物理机理具有重要的理论意义和实用价值。本文利用离散玻尔兹曼方法模拟了可压缩流体的RT不稳定性现象，并利用该方法对界面连续的随机多模初始扰动的可压缩RT不稳定性进行了数值研究。研究结果表明，在温度梯度的影响下，与热通量相关的热力学非平衡强度呈现先增大后减小的趋势；在热扩散作用下，界面上的热力学非平衡强度先减小后增大，继而影响热力学非平衡区域的占比，使之呈现相同的变化趋势。最后，分析了全局平均热力学非平衡强度随时间的演化规律，发现在宏观物理量梯度和热力学非平衡面积的共同作用下，全局平均热力学非平衡强度先增后减，最后趋于稳定。不仅如此，热力学非平衡区域面积的增大（减小）会增强（减弱）热力学非平衡的强度；同时，物质界面物理量梯度的增大（减小）对全局平均热力学非平衡强度也有相同的影响，二者相互作用、相互竞争。

“内埋武器舱”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(3): 151-151.

摘要(109) HTML (36) PDF(25)

摘要:

先进战斗机武器内埋发展趋势与关键气动问题

金鑫, 杨党国, 蔡广平, 吴继飞, 徐来武, 刘付生

2022, 40(3): 152-159. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0060

摘要(328) HTML (79) PDF(83)

摘要:
紧盯未来先进战斗机研制需求和发展趋势，详细分析了武器内埋技术在提高飞机战技指标和综合性能方面的优势，并介绍了国内外在先进战斗机武器内埋技术方面研究的基本情况和遇到的一些具体问题，归纳总结了内埋武器舱空腔复杂流动机理、流声振多场耦合问题研究的现状和关键技术难点；从内埋武器舱系统研制设计要求出发，梳理了先进战斗机内埋武器系统研制面临的关键气动问题和空腔类构型流致振动与噪声问题的主要特征，着重分析了内埋武器舱复杂流动机理、振动与噪声问题、数值仿真方法、风洞测试技术和流固声多场耦合控制技术难点，指出了下一步需要突破的关键技术难点和研究重点，为准确把握先进战斗机内埋武器系统关键气动问题和开展相关问题研究提供借鉴和指导。

内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验

王显圣, 周方奇, 徐来武, 吴军强, 路波, 杨党国

2022, 40(3): 160-168. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021-0387

摘要(337) HTML (84) PDF(53)

摘要:
针对内埋武器系统设计面临的多学科交叉问题，通过高速风洞实验，开展内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验研究，为内埋弹舱气动/结构一体化设计和作战环境评估提供支撑。基于相似原理，建立内埋弹舱流动/振动/噪声多场载荷实验技术，采用高时间分辨率多场载荷同步测试方法与时频数据处理方法，获取亚、跨、超声速条件下内埋弹舱多场载荷特征，分析多场载荷作用下内埋弹舱流动特性、共振条件和结构响应规律。结果显示，内埋弹舱非定常绕流促进了舱内复杂噪声环境的形成，噪声载荷与结构振动数据呈现强相关性。当舱内噪声模态频率与结构固有频率耦合时，内埋弹舱结构响应明显增强，在噪声载荷主频位置，结构振动谱出现峰值，此时噪声/振动数据相关性最大，且耦合频率范围的噪声谱能量提高显著。

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

瓮哲, 王霄, 刘超, 富佳伟, 陈同银, 赵卓林, 毛磊

2022, 40(3): 169-174. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0030

摘要(195) HTML (59) PDF(35)

摘要:
流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征，进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象，通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性；根据流场特性，分析武器舱内噪声产生机理，提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验，系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响，并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主；前舱在舱门小开度时总声压级较高，随开度增加后舱总声压级增大，舱门开到一定程度后，舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度，使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层，减弱武器舱内的能量注入，进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内，前缘扰流片的降噪效果最为显著，降噪幅值达5 dB。

动态舱门对空腔复杂流动和噪声特性影响分析

李晓东, 姜蔚婉, 屈崑, 蔡晋生

2022, 40(3): 175-189. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0045

摘要(269) HTML (86) PDF(51)

摘要:
为研究运动舱门对内埋弹舱（空腔）非定常流场和舱内噪声特性的影响，开发了应用于运动问题的动态嵌套重叠网格组装方法，采用改进的脱体涡模拟方法对亚声速流场（Ma = 0.6）进行了高精度数值模拟。首先采用空腔标准模型（M219）验证所用的高精度数值格式的有效性，然后应用发展的方法对干净空腔（C201）、带静态舱门（30°、60°、90°和120°）的空腔以及运动舱门的空腔进行模拟，并分析静、动态舱门对空腔湍流流场和腔内气动噪声的影响。针对运动舱门的非稳态非定常流动问题，采用经验模态分解方法分析空腔中的湍流脉动特征和声压级。通过分析研究结果发现，与干净空腔相比，舱门小开度（30°）时，舱门会限制法向和展向的流动，从而降低腔内流场与外部流场的流动掺混和交换，腔内壁面总声压级比干净空腔低5～8 dB，但是两者变化趋势一致，且二阶Rossiter模态频率偏高；在打开角度较大（60°以后）时，舱门对腔内流动的影响主要表现在展向，此时空腔上方的剪切层涡结构运动的高度更高，舱门阻碍噪声的展向传播，使得腔内的总声压级升高（3～10 dB不等），二阶Rossiter模态的强度增大。然而舱门开启过程中，腔内总声压级介于小开度与大开度之间，与干净空腔水平相当；在舱门打开角度为90°时，腔内总声压级呈现与准定常模拟结果类似的分布，该研究对真实弹舱的流动分析与设计有指导价值。

分离涡模拟方法在内埋弹舱机弹分离模拟中的应用

李欢, 杨悦悦, 张杰, 崔鹏程, 贾洪印, 张培红

2022, 40(3): 190-202. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0420

摘要(233) HTML (76) PDF(42)

摘要:
为了研究内埋弹舱非定常流场对武器投放分离特性的影响，基于分离涡模拟（DES）方法和非结构重叠网格技术，建立了内埋武器机弹分离高精度数值模拟方法。在此基础上，首先通过典型空腔流动和机弹分离算例验证了数值方法的有效性，然后采用平均雷诺应力模拟（RANS）和DES两种方法探究了机弹分离过程中弹舱腔内涡结构的演化历程，分析了两种方法在机弹分离流场结构模拟中的差异，研究了内埋弹舱流场结构对导弹分离特性的影响。计算结果表明：机弹分离过程中，高强度涡结构逐渐向弹舱腔体后缘聚集，同时弹舱剪切层流动结构被导弹破坏，导弹出弹舱阶段俯仰方向所受气动力矩急剧变化。相比RANS方法，DES方法捕捉到的高强度小尺度涡结构对导弹压力分布影响较大，使得分离后期导弹俯仰角、俯仰角速度产生明显差异，DES方法更适合内埋武器舱分离特性精细化研究。该研究结果可为内埋武器机弹分离研究的计算方法选择和安全分离策略提供一定的参考依据。

内埋武器机弹分离相容性及流动控制试验研究

宋威, 艾邦成

2022, 40(3): 203-211. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0258

摘要(268) HTML (84) PDF(54)

摘要:
随着新一代先进有人或无人战斗机对高机动、超远程打击和隐身等性能提出要求，武器内埋式装载已成为必备选择。当内埋武器的质量-惯性载荷比非定常空气动力载荷大时，有效的武器分离通常不是问题；然而，当内埋武器的质量-惯性载荷比非定常空气动力载荷小时，可能导致内埋武器机弹分离过程出现俯仰角过大、急速滚转等不相容现象。本文针对内埋武器机弹分离相容性及流动控制方法开展非定常风洞投放试验探索研究，通过在武器舱前缘布置锯齿和矩形扰流板等被动流动控制装置，采用非定常风洞投放试验方法并结合高速纹影流动显示技术，研究了有无流动装置对内埋武器机弹分离相容性的影响，并提出细长旋成体布局式的内埋武器机弹分离相容性的判据表达式。研究发现，布置在内埋武器舱前缘的锯齿和平顶扰流板能在气流扇形膨胀区域内产生扰流激波，该扰流激波所产生的高压作用在导弹头部能起到减小抬头俯仰力矩的效果，对机弹分离俯仰方向运动产生较大影响，但对导弹垂直位移的影响并不大。前缘锯齿扰流板对机弹分离相容性的控制效果比平顶扰流板要好。

留言板

2022年第40卷第3期

留言板

2022年 第40卷 第3期

2022年第40卷第3期