加权紧致非线性格式在热化学非平衡流数值模拟中的应用

高精度格式因其在较低的计算资源消耗下仍能保持足够的精度而在精细流动结构的模拟中具有独特优势。将显式5阶加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)引入二维高温非平衡流计算,进行自由流速度5.0~5.7 km/s的高焓风洞和高空条件下的圆柱非平衡流场数值模拟,得到正确的流场参数分布、壁面压力和壁面热流等结果与实验值吻合较好。计算结果表明,WCNS-E-5格式较2阶的MUSCL格式具有更好的热流网格收敛特性。分析并针对算例条件初步解决了高阶格式在刚性化学反应流模拟中的鲁棒性问题,为进一步采用高阶格式开展流场结构更加复杂的热化学非平衡流数值研究奠定了良好基础。     

小钝头锥体全目标流场与光电特性一体化数值模拟

从简化的或全ＮＳ方程出发,采用化学非平衡和热辐射非平衡模型,数值模拟了有烧蚀产物引射条件下小钝头锥体全目标流场与光电特性,旨在为防护设计提供气动物理环境数据。计算结果表明,本文流场模拟数据与实验数据基本吻合,壁面烧蚀产物引射和壁面催化特性对流场电子数密度均有量级影响。     

高超声速圆柱绕流中驻点热流的稀薄效应

采用Fay-Riddell关系式、直接模拟Monte Carlo方法和基于直接模拟Monte Carlo流场温度的Fourier传热三种热流表达方式,分别对比研究了不同来流克努森数(Kn)和不同来流马赫数(Ma)的结果,以期从微观视角给出经典连续方法在稀薄流区高估驻点热流的新理解。结果表明,驻点热流的稀薄效应体现在三个方面:一是温度跳跃,削弱温度梯度导致驻点热流降低;二是壁面附近平动非平衡,导致Fourier热传导定律失效且高估热流;三是壁面约束,致使Fourier热传导定律在距壁面3倍分子平均自由程内高估热流。     

钝体高超声速气动加热与结构热传递耦合的数值计算

气动加热与结构热传递耦合问题在航天和工程应用领域非常重要。分别采用松耦合与紧耦合方法,数值模拟了高超声速二维圆管绕流的流场与结构传热耦合的非定常过程。在紧耦合方法中,流场部分采用基于Navier Stokes方程的有限体积法,将AUSM+格式与时间方向的显式多步Runge Kutta法结合;结构传热部分采用基于二维热传导方程的Galerkin有限元法。流场与结构区通过交界面的热流和温度边界条件实现耦合。计算结果分别与实验、文献做了对比,结构内部温度变化关系以及壁面的热流分布均较好地吻合。两种耦合方式的计算结果对比表明,对于流场特征时间远小于结构传热特征时间的问题,松耦合方法计算效率高,精度与紧耦合方法接近。     

泰氟隆烧蚀产物对电子密度的影响

采用WNND格式,对有泰氟隆烧蚀产物引射的化学非平衡NS方程进行了数值模拟。采用7组元纯空气化学反应和19组元、28种反应的空气—泰氟隆化学反应系统,对照计算了壁面有泰氟隆烧蚀产物引射和纯空气绕流两种流场,研究了泰氟隆烧蚀产物对电子密度的影响。     

AUSMPW+格式在高超声速热化学非平衡流数值模拟中的应用

将AUSMPW+格式应用到高超声速热化学非平衡流场的数值模拟中。为提高精度,采用了三阶MUSCL插值方法。与LU SGS方法结合,提高了单步计算效率和收敛性。采用热化学非平衡十一组元气体模型求解了非定常轴对称Navier Stokes方程组,得到了收敛结果。数值模拟结果与文献结果进行了对比,并在弹道靶中进行了钢质圆球的实验验证。计算结果与文献、实验的对比说明,AUSMPW+格式可以在热化学非平衡流的数值模拟中精确地捕捉到强弓形激波,得到准确的空气动力系数。     

网格参数与离散格式对潜艇阻力预报精度的影响

借助于计算流体力学软件,生成了2组不同网格数量和壁面Y+值的网格模型,并对潜艇周围流场进行了数值模拟,得到了不同航速下的潜艇阻力,然后结合试验数据进行了对比分析。研究发现:一阶精度离散格式的阻力计算结果误差过大不可信,而对于不同的离散格式,网格的细化都能提高计算精度;当网格模型壁面Y+值控制在200以内且采用二阶精度离散格式计算时,较稀的网格模型也能得到误差小于3%的计算结果。     

不同射流状态下射流气体与高超声速主流相互作用影响

为研究不同射流状态对高超声速飞行器气动加热的影响,对高超声速来流条件下方孔和圆孔横向射流模型进行数值模拟,讨论射流压强、射流速度及射流方向对主流流场的影响,得到了不同射流状态下流场结构、壁面温度热流分布及壁面中心线温度热流变化。结果表明:射流在一定程度上能缓解壁面气动加热情况,壁面引射效果更好,壁面引射速度1 m·s~(-1)时壁面热流降低接近三分之二。在高速(Ma1)射流情况下,适当增大压强和速度,均会使得射流下游的冷却效果加强;在中低速(Ma0.6)射流情况下,射流基本上不改变主流流场而在边界层内流动,流速越大,冷却范围越大,冷却效果也相对较好。射流方向与主流方向夹角为锐角时,利于射流孔下游降温;夹角为钝角时,利于射流孔上游降温。     

用多重网格TVD方法求解三维高超音速粘性流场

本文采用时间相关法求解了三维Ｎ－Ｓ方程。在计算中，对于压力和对流项采用Ｒｏｅ的通量差分分裂技术和Ｏｓｈｅｒ－Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｙ的ＴＶＤ格式，对于粘性项，采用了中心差分格式。通过数值模拟得到了钝头双锥体高超音速层流流场在不同攻角下的数值解。计算的重点放在壁面热流率的预测。在攻角为４°和１２°的状态下，Ｓｔａｎｔｏｎ数的计算值与实验值进行了比较，二者吻合较好。为了加快收敛速率，计算时采用了多重网格方法。     

振动非平衡喷管流场的数值研究

从非定常的基本方程出发,采用时间相关法,利用带有平滑项的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式对以氮气为实验气体的一维振动非平衡喷管流场进行了数值计算。分析了不同条件下振动非平衡对流场的影响,确定了支配振动非平衡的主要因素。计算结果表明,对于一些实际应用的喷管条件,振动非平衡具有较为显著的影响。     

迎风格式在接触间断的数值耗散及其诱导误差

在不同流场参数条件下对三种迎风格式在接触间断中的数值耗散问题进行了数值实验,并对数值耗散产生的机理进行了分析。数值计算结果和理论分析表明,矢通量分裂格式计算接触间断问题时,若流场静止或流场内存在亚声速区域,密度耗散的产生会诱导出以特征速度运动的数值扰动误差,该误差对数值耗散的大小无影响,但会影响流场的速度及压力参数分布,从而改变流场的结构。在二维问题中,诱导误差相互干扰会产生大量的复杂小尺度结构,给流场结构分析带来困难。同时,在密度参数线性分布的流场中,若空间离散格式重构的对象为对流通量,使用矢通量分裂格式计算流场会产生数值误差,使计算精度难以到达二阶。     

1D study of the detonation phenomenon and its influence on the interior ballistics of the combustion light gas gun

One-dimensional simulations with a detailed hydrogen-oxygen reaction mechanism have been performed to investigate detonation phenomenon in a combustion light gas gun (CLGG). Convection fluxes of the Navier-Stokes equations are solved using the WAF (weighted average flux) scheme HLLC Riemann solver. A high resolution fifth-order WENO scheme for the variable extrapolation at the volume interface and a fourth-order Runge-Kutta scheme for the time advancement are used. Validation tests of the stoichiometric hydrogen-oxygen deflagration to detonation transition process shows good agreement between the computed results and the analytical and documented solutions, demonstrating the reliability on the detonation simulation of the current scheme. Simulation results of the interior ballistic process of the CLGG show that the flame propagation experiences three distinct stages. The blast detonation wave causes a high-pressure shock and hazardous oscillations in the chamber and makes the projectile accelerate with fluctuations, but has only a small improvement to the muzzle velocity.     

高精度有限体积格式在三维曲线坐标系下的应用

为了构造在光滑区具有较高分辨率并且可以无振荡捕捉激波的高精度有限体积格式,同时降低格式在模板选择上遇到的困难,基于逐维重构方法,发展了结构网格下的高精度有限体积格式,并将这一格式推广到三维曲线坐标系下,从而可以适应相对复杂外形下的计算。为充分验证格式的有效性,选取一系列典型算例进行计算:在等熵涡输运和二维喷管流动中验证了格式的精度可以达到设计精度;在双马赫反射问题中格式也表现出良好的捕捉激波的能力。数值计算表明,上述格式在曲线网格上具有较高的数值精度和鲁棒的激波捕捉能力,适用于流体力学方程的计算。     

三维高超音速干扰流场数值模拟与实验验证

采用Osher Chakraverthy的TVD格式、Baldwin Lomax湍流模型和LU SSOR隐式方法求解了完全NS方程 ,数值模拟了三维高超音速绕流与横向喷流干扰流场。并在高超音速炮风洞中开展了喷流实验研究 ,对该喷流流场的数值计算结果进行实验验证     

高超声速飞行器的热电技术热管理系统参数

提出了集成热电发电装置的超燃冲压发动机热管理系统,将热电发电器与发动机壁面结构相结合。集成的热电发电热管理系统可以将传入发动机壁面的热量部分转换为电能,同时减少了冷却用燃料流量,"间接"提高了燃料的吸热能力。燃料在冷却过程中提高了自身温度和焓值,具有一定的做功能力。高温高压的燃料经过涡轮机膨胀做功,输出可以被高超声速飞行器利用的能量。采用热力学的分析方法对集成热电发电热管理系统的相关参数进行研究,结果表明其比传统的再生冷却防热具有极好的潜在优势,提升了燃料的吸热能力,同时对外输出了可用功。     

高超声速尖双锥流动高精度数值模拟

以25°/55°尖双锥外形的高超声速低焓层流流动模拟为例,对高阶加权紧致非线性格式模拟激波/边界层干扰流动的能力进行验证和确认。空间离散采用二阶MUSCL和三阶、五阶加权紧致非线性格式,时间离散采用二阶精度双时间步方法,通量函数采用混合Roe-Rusanov,AUSMPW+,Van Leer等,对比了不同精度空间离散格式对时间、网格收敛特性和通量函数耗散特性的影响。数值模拟结果表明采用高精度空间离散格式能在较疏的网格上获得收敛解,并能消除结果对通量函数的敏感性,但收敛需要推进更久的计算时间。数值模拟结果与实验测量结果吻合良好,满足工程精度要求。     

发动机冷却燃料做功潜力?分析

在高马赫数飞行下,用燃料冷却超燃冲压发动机壁面的冷却需求量大于发动机燃烧量。为了降低燃料的冷却量以及实现燃料冷却量和燃烧量的匹配,采用?分析法对超燃冲压发动机壁面燃料冷却工质进行做功潜力分析。发动机壁面冷却燃料的特性决定其热量?大小。根据发动机壁面温度分布、热流密度分布计算热量?,建立稳定流动燃料工质的?平衡方程。结果表明：在壁面最高温度为1200K时,传入壁面的热量为562.4kW,其中理论热量?为541.3kW;冷却燃料工质流量的增加,最大输出功减小;燃料工质出口温度增加,输出功减小,燃料工质出口压力增加,输出功基本不变。     

坦克动力装置润滑系统计算与分析

本文介绍了车用内燃机润滑系统流动与传热仿真方法.采用一维的方法研究了车用内燃机润滑系统流动问题;采用网络法研究了车用内燃机润滑系统的传热问题,并建立了润滑系统各部件的传热数学模型.编制了计算程序.对某型坦克内燃机润滑系统的流动与传热进行了实例计算,仿真结果与试验值符合较好.     

热边界层流动中管道的热损失

在高粘液体管道输送中,利用热边界层减阻需确定热流量的计算。热边界层流动中管道的各种热损失是总热流量的一部分。热损失有管内、管外及保温层三种形式。管外热损失是向周围的空气散发的,通过对流的形式发生。管内的热损失是导热或对流。保温层的热损失主要是导热。利用热边界层理论的成果,给出了各种传热系数和管道热损失的计算公式,并给出了多个计算实例。