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气动研究与试验
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气动研究与试验/Journal Aerodynamic Research & Experiment
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    非定常气动力理论

    高安康康林林刘罗勤吴介之...
    1-28页
    查看更多>>摘要：从经典的飞行器瞬态流到振荡流,再到千奇百怪的生物推进与飞行模式和无人飞行器、微型飞行器,非定常气动力问题涵盖十分广泛的流动范畴,涉及复杂的非定常分离流,如自由剪切层和集中涡等局部流动结构的演化与相互作用.为了根据计算或实验得到的复杂非定常流场做出理性诊断,查明每个局部结构对合力的贡献,极有必要发展在流体中任意运动与变形的物体所受的气动力(包括水动力)的一般基础理论.本文首先提出两个原则:一是局部结构对合力的贡献要满足伽利略不变性要求;二是物体的自主运动需要给出物体的质量分布与惯性矩,同时考虑合力与力矩.然后介绍几类主要的理论及其应用案例.最简洁而广泛的理论是不涉及动量方程的冲量理论,包括经典的全域理论、经典与现代的无黏理论、最小域冲量理论及其可压缩推广.第二类理论是动理学的因果型理论,包括扩散型和边界型合力公式.第三类理论是加权型理论,包括几种投影理论和虚功理论,重点是能自动满足局部伽利略不变性的加权压力源理论.随着非定常气动力诊断需求的继续发展,可以期待未来还会出现新的理论.

    非定常流生物流体力学局部伽利略不变性自主运动全域冲量理论最小域冲量理论合力的因果性理论投影理论加权压力源理论

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    组合式宽马赫数风洞设计与流场特性

    刘中臣高亮杰汪球辛亚楠...
    29-38页
    查看更多>>摘要：脉冲型风洞是开展高超声速飞行器研制和气动热力学研究的重要试验设备.本文基于激波风洞和Ludwieg管风洞组合运行原理,突破了高温管外静态加热技术、高温高压气体隔离技术、大口径高温膜片设计技术等系列关键技术,设计建设了FL-63脉冲型组合式宽马赫数风洞,设计马赫数范围3.0～10.0,采用双模式组合运行模式,中低马赫数段(Ma 3.0～4.5)采用Ludwieg管风洞运行模式,最高温度可达900K,可复现飞行高度的总焓和总压,有效运行时间大于150ms;高马赫数段(Ma 5.0～10.0)采用激波风洞运行模式,有效运行时间大于20ms,最高驱动压力30MPa.本文通过运行方式的灵活组合,兼顾了低马赫数和高马赫数来流的不同模拟需求,实现了宽马赫数范围的试验能力.

    组合式风洞宽速域激波风洞Ludwieg管风洞气动热

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    一种求解非定常可压缩流动的流场信息融合的图神经网络方法

    李思冶孙振生朱玉杰
    39-49页
    查看更多>>摘要：传统数值方法基于网格的数值离散或者积分形式,其计算效率较低、耗时高并需要昂贵的计算资源.针对含有强间断的非定常可压缩流问题,本文提出了一种流场信息融合的图神经网络方法.首先,深入分析了计算流体力学(CFD)求解与图神经网络(GNN)方法的内涵联系,数学上明确了模型训练中的算子对象与任务,从而指导模型结构设计.为了增强模型的非线性逼近能力,通过激波识别器技术提取了流场局部的非线性特征,并将流场的物理、空间以及非线性信息嵌入图表征方法中.在此基础上,设计了一种基于聚合采样方法的流场信息融合的消息传递网络,通过此网络将流场不同尺度信息进行传播、聚合以及更新,从而预测流场的时空演化过程.此外,在编码器-解码器框架下将提取的流场信息转化为潜在的流体力学知识,实现端到端的模拟功能.最后,通过激波管问题、Shu-Osher问题以及二维黎曼问题验证了模型的有效性.结果表明,在一维与二维问题中,模型均可快速收敛,且变量相对误差在O(10-6)～O(10-7)量级;针对训练集外的时间尺度模拟,该模型具有良好的预测能力,且极大地提高了流场计算效率.

    非定常可压缩流强间断图神经网络流场信息融合激波识别器

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    机翼上反角对超声速民机全声爆毯声爆特性影响研究

    陈晴韩忠华杨瀚丁玉临...
    50-58页
    查看更多>>摘要：超声速民机是下一代民机的重点发展方向之一,但声爆仍是制约其投入商业运营的关键核心问题.然而,现阶段低声爆设计相关研究大多针对航迹正下方开展,缺少对全声爆毯声爆特性的考虑.针对该问题,本文开展了机翼上反角对全声爆毯声爆特性影响研究.首先,定义了全声爆毯平均声爆强度,该物理量考虑了不同周向角声爆的感觉声压级与影响域宽度,可衡量全声爆毯的声爆水平;然后,采用声爆快速预测方法研究了机翼上反角与全声爆毯声爆强度之间的关系;最后,通过计算流体力学(CFD)数值模拟分析了机翼上反抑制声爆的原理与对近/远场波形及地面感觉声压级的影响.结果表明,机翼上反能够减弱机翼下方各周向角的激波强度,从而降低整个地面声爆毯内的声爆水平;针对研究构型,13.88°上反角可将全声爆毯平均声爆强度降低3.23PLdB.

    超声速民机声爆机翼上反声爆毯低声爆设计

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    WENO型有限体积格式高超声速数值激波稳定性分析

    任伟杰谢文佳张烨于航...
    59-73页
    查看更多>>摘要：高阶格式在提高计算精度、刻画流动细节等方面具有巨大优势,然而在模拟多维强激波时,高阶格式通常会产生激波失稳问题,制约了其在超声速/高超声速流动模拟中的应用.本文针对加权基本无振荡格式(WENO)型有限体积格式,建立了矩阵稳定性分析方法,为定量分析高阶格式捕捉强激波的稳定性提供了有效工具.利用矩阵稳定性分析方法,对三阶WENO型有限体积格式的激波失稳问题进行定量研究.结果表明,与一阶格式相比,三阶格式面临更严峻的激波失稳问题.在空间三阶精度下,解算器的性质与激波强度是影响数值格式激波稳定性的重要因素.此外,对数值激波失稳的空间位置进行了研究,发现激波失稳源于数值激波结构内部,因此激波结构内部的中间状态是影响格式捕捉强激波稳定性的关键因素.本文为分析三阶WENO型有限体积格式的激波失稳问题提供了有效方法,并对三阶格式数值激波失稳问题的内在机理进行研究,为更深入地理解高阶格式激波失稳问题的内在机理,发展强稳定的高阶格式奠定了基础.

    有限体积方法三阶WENO高超声速数值激波失稳矩阵稳定性分析

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    低雷诺数SSG-ε雷诺应力模型研究

    罗大海
    74-85页
    查看更多>>摘要：对于湍流模型的改进、发展和构造一直是计算流体力学领域的一项基础性研究.本文基于ε尺度方程,构建了一个7方程雷诺应力模型.雷诺应力输运方程中的压力应变关联项采用SSG模型,ε输运方程中的耗散项引入阻尼函数以进行低雷诺数修正,同时在ε方程中增加源项以修正再附区的湍流长度尺度.新构建的低雷诺数SSG-ε雷诺应力模型采用零压力梯度平板、后向台阶和NACA4412翼型三个经典算例进行测试,同时与低雷诺数Abid k-ε模型、SST模型、SSG/LRR-ω雷诺应力模型以及Fluent商用软件中的几个雷诺应力模型进行对比.计算结果表明,ε方程中引入的低雷诺数修正可以精确预测湍流边界层内速度的对数律分布,湍流长度尺度修正消除了雷诺应力模型在预测流动再附时流线非物理的回弯现象.算例测试的详细对比结果说明,本文构建的低雷诺数SSG-ε雷诺应力模型对于湍流分离和再附流动模拟具有较好的精度,对于复杂湍流模拟具有一定的潜力.

    雷诺应力模型湍流后向台阶流动分离再附数值模拟

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    高超声速磁流体流动控制数值模拟研究

    滕子昂周志峰张智超许珂...
    86-99页
    查看更多>>摘要：飞行器以高超声速状态飞行时,高马赫数来流经过激波后,温度陡升,气体分子的内能模态在高温下会受到激发,发生离解、电离、中性交换等反应,形成具有一定导电率的弱电离等离子体.合理地布置磁场与电场,激波层内的导电流体与外加电磁场相互作用产生感应电流,进一步产生洛伦兹力与焦耳热,可以实现对于飞行器气动力热的影响,达到流动控制的目的.本文针对磁流体热防护、磁流体能量提取两种流动控制手段进行了数值模拟研究.首先研究了来流马赫数、飞行高度对于磁流体热防护效果的影响规律,得到了如下规律:磁流体热防护技术可以使飞行器驻点热流降低20%,在一定飞行高度下,来流马赫数需要使来流总温接近10000K才能使磁流体热防护效果明显;磁流体热防护效果随飞行高度增加而增强.随后针对磁流体能量提取装置进行了概念设计与参数影响研究,并且得到如下结论:在典型再入飞行状态(高度46km、速度7000m/s)下,本文给出的磁流体能量提取装置可以在外加强度为0.2T的磁场强度下,提供兆瓦级的电功率输出,并且装置提取的电能与能量提取装置的工作效率均随负载电压的增加呈现先增加后减小的趋势,表明对于给定的来流条件,存在最佳的负载电压,使得磁流体能量提取装置的功率与效率达到最大.本文研究结果可以为磁流体热防护技术与能量提取技术在高超声速飞行中的设计提供指导.

    磁流体力学流动控制数值模拟热防护能量提取

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    极高速再入飞行器高温非平衡流场与热辐射耦合模拟研究

    杨星链张诗玥赵薇王京盈...
    100-109页
    查看更多>>摘要：再入飞行器气动热环境准确预测对深空探索和返回任务具有至关重要的意义.本文采用了非灰气体多台阶模型计算高温大气辐射吸收系数,离散坐标法求解辐射传输方程,并与自研高超声速热化学非平衡流场求解器相结合,对FIREⅡ飞行试验算例分别进行了流场与热辐射耦合和非耦合模拟研究,预测的FIRE Ⅱ表面热流与 LAURA和DPLR计算结果一致,验证了本文数值方法的可靠性.研究结果表明,该算例工况下流场和热辐射场具有显著的耦合作用:一方面激波层内的辐射能量吸收与发射使得流场非绝热,导致辐射冷却效应,使得温度降低、密度增加,激波层变得更加薄;另一方面辐射耦合影响了大气组分的化学反应过程,而空气组分构成及其热力学状态则直接影响辐射的水平.非耦合与耦合模拟给出的驻点对流热流相差较小,但辐射热流耦合值较非耦合值下降约15%,辐射耦合作用不可忽视.本文的研究可为极高速再入飞行器气动热环境预测和热防护设计提供较好的方法支持和理论参考.

    气动热再入飞行器高超声速热辐射离散坐标法

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    基于梯度的自由节点差分法寻点策略研究

    卢俊宇徐春光陈洁刘君...
    110-118页
    查看更多>>摘要：针对混合网格交界面流场信息的计算,本文介绍了一种适用于无序网格点的自由节点差分法,实现了重叠网格交界面流场的差分计算,避免了传统上采用插值方法带来的额外误差.自由节点差分法的计算模板,需要从计算点周围点云中选择合适的邻居节点构成,不同的选点策略会影响计算模板质量,导致计算精度存在差异.超声速流场通常存在强间断,间断处梯度变化剧烈,梯度变化会对计算模板构造产生影响,进而影响流场计算精度.为了在计算模板中反映流场梯度的变化,本文提出了综合考虑流场梯度和网格几何因素的计算模板构造思想,给出了几种具体的选点策略,并采用数值试验对不同策略进行了对比分析,确定了优选方案.数值试验结果表明,相比于只考虑网格几何因素的寻点策略,综合寻点策略具有更高的计算精度,可以作为自由节点差分法计算模板的寻点方法,使自由节点差分法的计算结果更为精准.

    自由节点差分法DEER算法计算模板混合网格选点策略

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