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笛卡儿网格高保真虚拟单元浸入边界法研究与应用

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中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第3期54卷 122-133页

作者：罗灿炎周丹杜昊毕林袁先旭唐志共中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室长沙410075 空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室绵阳621000

笛卡儿网格下,物面与网格相切割使得笛卡儿网格具有非贴体特性,物面边界处理成为笛卡儿网格流体仿真的关键.本文建立了一种笛卡儿网格浸入边界法下的高保真虚拟单元模型:合理选取“直角三角形”形式的插值模板点,对壁面外法向附近处的... 详细信息

笛卡儿网格下,物面与网格相切割使得笛卡儿网格具有非贴体特性,物面边界处理成为笛卡儿网格流体仿真的关键.本文建立了一种笛卡儿网格浸入边界法下的高保真虚拟单元模型:合理选取“直角三角形”形式的插值模板点,对壁面外法向附近处的变量进行局部重构,使用双二次插值提高插值精度;根据不同的物面边界类型,构造考虑边界条件信息的高阶多项式,获得虚拟单元的流场值.Prandtl-Meyer流动、超声速圆柱绕流、前台阶问题、NACA0012翼型流动等典型算例考核验证结果表明,此方法模板点选取紧凑、鲁棒,可扩展到不同的边界条件,在L^(1)和L^(2)范数下达到2阶精度.

关键词：笛卡儿网格浸入边界虚拟单元法

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大流量高压燃烧加热器振动加速度测试分析

空气动力学学报 2024年第3期42卷 83-91页

作者：刘梦坤唐志共朱超金烜曹晓梅中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

针对不同采样频率下(10、20、50、100、200 kHz)大流量高压燃烧加热器振动加速度差异较大的问题进行了研究,开展了冷吹试验、敲击试验、点火试验。采用时域分析法中的均方根、偏度、峭度,频域分析法中的功率谱密度,时频域分析法中的小... 详细信息

针对不同采样频率下(10、20、50、100、200 kHz)大流量高压燃烧加热器振动加速度差异较大的问题进行了研究,开展了冷吹试验、敲击试验、点火试验。采用时域分析法中的均方根、偏度、峭度,频域分析法中的功率谱密度,时频域分析法中的小波变换,并结合模态参数识别中的多参考最小二乘复频域法重点分析了10 kHz和200 kHz采样频率下的振动数据。获得了传感器的安装谐振频率、安装底座和待测设备组合体的固有频率以及加热器运行的主要频段,与声振频率计算公式的结果偏差小于5%。研究结果表明,采用10 kHz的采样频率能够有效表征加热器的振动情况,该方法可为大型复杂燃烧设备振动测试采样频率的选择提供参考。

关键词：振动加速度采样频率燃烧加热器高温风洞测试方法

笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

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工程力学 2024年第8期41卷 11-22页

作者：罗灿炎毕林徐晶磊周丹袁先旭唐志共中南大学轨道交通安全教育部重点实验室长沙410075 空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室绵阳621000 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100083

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍... 详细信息

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

关键词：壁面函数湍流模型自适应笛卡尔网格浸入边界虚拟单元法

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基于拉压转换和变刚度斜坡结构的宽量程压缩传感结构

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Science China Materials 2024年第3期67卷 871-878页

作者：李朋阳熊金华闫倩丁仁杰郑皓文薛福华赵旭陈仲刘宗林唐志共彭庆宇赫晓东 National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments Center for Composite Materials and StructuresHarbin Institute of TechnologyHarbin150080China Frontiers Science Center for Matter Behave in Space Environment Harbin Institute of TechnologyHarbin 150080China Shenzhen STRONG Advanced Materials Research Institute Co. Ltd.Shenzhen 518000China

压力传感器仍然面临着将高灵敏度与宽检测范围相结合的挑战.基于此,我们设计了一种拉-压转换(TC)结构,并将其与变刚度策略相结合来制造压力传感器件.该结构能够将二维可拉伸材料的传感性能转换为三维可压缩设备的传感性能.传感和机械性... 详细信息

压力传感器仍然面临着将高灵敏度与宽检测范围相结合的挑战.基于此,我们设计了一种拉-压转换(TC)结构,并将其与变刚度策略相结合来制造压力传感器件.该结构能够将二维可拉伸材料的传感性能转换为三维可压缩设备的传感性能.传感和机械性能可以使用模拟和理论计算进行设计.斜面结构能够在24.3 N范围内提供线性传感.变刚度设计策略使传感器能够以高灵敏度(3.5 N^(-1))感知较小载荷,并具有宽的检测范围(0.002–24.300 N,扩展范围82.6 N).此外,该传感结构可以在水下环境中稳定工作.这种使用二维可拉伸应变传感器作为传感单元来开发压缩传感装置的设计策略将为未来提供新的思路.

关键词： nanocomposites strain-sensing film pressure sensor 3D printing variable stiffness structures

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湍流模型对喷流计算精度的影响研究(英文)

空气动力学学报 2010年第2期28卷 188-196页

作者：唐志共刘刚牟斌黄勇西北工业大学航空学院陕西西安710072 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

采用三维RANS代码MBNS3D对包含了内流、外流及后体干扰的三种简化尾喷流,进行了数值模拟研究。通过壁面压力分布及喷流截面速度型与实验数据的对比,研究了SA和SST两种湍流模型及其修正(SACC,SADES,SSTCC)对喷流计算精度的影响。本文计... 详细信息

采用三维RANS代码MBNS3D对包含了内流、外流及后体干扰的三种简化尾喷流,进行了数值模拟研究。通过壁面压力分布及喷流截面速度型与实验数据的对比,研究了SA和SST两种湍流模型及其修正(SACC,SADES,SSTCC)对喷流计算精度的影响。本文计算表明,SSTCC模拟效果最为精确;利用SA模型进行脱体涡模拟,在同样的网格下优势不明显。湍流模型可压缩修正改善了模拟喷流的膨胀趋势,但对附面层分离位置的预测,在本文的工作中,还不如原始模型。两类模型相比,SST模型的结果好于SA模型。

关键词：喷流 RANS方程湍流模型

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自适应笛卡尔网格超声速黏性流动数值模拟

航空学报 2018年第5期39卷 39-51页

作者：唐志共陈浩毕林袁先旭中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解... 详细信息

复杂外形/流场的高质量网格的生成往往需要占用大量人力资源,而自适应笛卡尔网格方法能够自动化生成高质量网格,具有很好的工程实用价值和应用前景。基于笛卡尔网格方法,采用叉树数据结构进行数据的存储和访问,分别从几何特征和流场解特征出发进行网格的自适应加密和粗化,发展了一种二维情况下自动、高效的自适应笛卡尔网格生成方法。从浸入边界方法出发,结合虚拟镜像对称方法和曲率修正技术进行黏性物面边界条件的处理,同时建立了多值点问题的处理技术,发展了一种在笛卡尔网格下可有效模拟黏性物面边界条件的方法。针对自适应笛卡尔网格非均匀的特点,发展了悬挂网格的处理方法,并构建了适用于自适应笛卡尔网格的黏性数值求解器。通过典型算例的考核,验证了所发展的自适应笛卡尔网格生成技术和构建的数值求解器具有较高的精度和可靠性。

关键词：自适应笛卡尔网格叉树数据结构浸入边界方法黏性边界条件黏性数值求解器

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高超声速气动力试验模拟参数选取准则

航空学报 2015年第3期36卷 789-796页

作者：王刚杨彦广唐志共中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000

高超声速气动力试验模拟准则的有效性问题阻碍了飞行器气动性能预测能力的发展。鉴于此,将尺度化方法应用于实验空气动力学领域,基于连续流域高超声速流动的双尺度特点,对各参数选取适当的尺度将流动控制方程尺度化。针对典型飞行状态,... 详细信息

高超声速气动力试验模拟准则的有效性问题阻碍了飞行器气动性能预测能力的发展。鉴于此,将尺度化方法应用于实验空气动力学领域,基于连续流域高超声速流动的双尺度特点,对各参数选取适当的尺度将流动控制方程尺度化。针对典型飞行状态,通过计算尺度化方程中各系数的量级,获取高超声速气动力试验模拟参数的选择准则。研究表明:建立的模拟参数选取方法为现有的高超声速气动力试验模拟准则提供了理论支持,模拟参数的选取准则随飞行条件发生显著改变。应用理论分析方法验证了黏性干扰参数是高马赫数高超声速气动力试验中的重要模拟参数,并与国外关于黏性干扰效应关联区域的结论进行了相互验证。

关键词：模拟参数尺度化方法气动力试验高超声速黏性干扰风洞试验

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激波与转捩边界层干扰非定常特性数值分析

力学学报 2017年第1期49卷 93-104页

作者：童福林李新亮唐志共中国空气动力研究与发展中心计算空气动力所四川绵阳621000 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

激波与边界层干扰的非定常问题是高速飞行器气动设计中基础研究内容之一.以往研究主要针对层流和湍流干扰,在分离激波低频振荡及其内在机理方面存在着上游机制和下游机制两类截然不同的理论解释.分析激波与转捩边界层干扰下非定常运动... 详细信息

激波与边界层干扰的非定常问题是高速飞行器气动设计中基础研究内容之一.以往研究主要针对层流和湍流干扰,在分离激波低频振荡及其内在机理方面存在着上游机制和下游机制两类截然不同的理论解释.分析激波与转捩边界层干扰下非定常运动现象有助于进一步加深理解边界层状态以及分离泡结构对低频振荡特性的影响规律,为揭示其产生机理指出新的方向.采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,24?压缩拐角内激波与转捩边界层干扰下激波的非定常运动特性进行了数值分析.通过在拐角上游平板特定的流向位置添加吹吸扰动激发流动转捩,使得进入拐角的边界层处于转捩初期阶段.在验证了计算程序可靠性的基础上,详细分析了转捩干扰下激波运动的间歇性和振荡特征,着重研究了分离泡展向三维结构对激波振荡特性的影响规律,最后还初步探索了转捩干扰下激波低频振荡产生的物理机制.研究结果表明:分离激波的非定常运动仍存在强间歇性和低频振荡特征,其时间尺度约为上游无干扰区内脉动信号特征尺度的10倍量级;分离泡展向三维结构不会对分离激波的低频振荡特征产生实质影响.依据瞬态脉动流场的低通滤波结果,转捩干扰下激波低频振荡的诱因来源于拐角干扰区下游,与流场中分离泡的收缩/膨胀运动存在一定的关联.

关键词：激波/边界层干扰转捩低频振荡低通滤波直接数值模拟

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横向喷流干扰中的真实气体效应研究

空气动力学学报 2006年第1期24卷 28-33页

作者：杨彦广刘君唐志共中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000 国防科技大学湖南长沙410073

建立了包括湍流、两相流和非平衡化学反应模型的统一算法,并对横喷干扰流动中的高温异质喷流、两相流、非平衡燃烧效应分别进行了计算分析。研究表明,非平衡燃烧效应对干扰流场及模型气动力的影响最大,高温异质喷流次之,两相流效应的影... 详细信息

建立了包括湍流、两相流和非平衡化学反应模型的统一算法,并对横喷干扰流动中的高温异质喷流、两相流、非平衡燃烧效应分别进行了计算分析。研究表明,非平衡燃烧效应对干扰流场及模型气动力的影响最大,高温异质喷流次之,两相流效应的影响最小;非平衡燃烧是引起冷、热喷条件下轴向力系数出现明显差异的最主要因素;虽然固相颗粒本身对干扰流场影响非常小,但它会从造成气相质量流率损失的角度对流动产生影响。因此,在风洞试验的模拟准则中应对上述因素予以考虑。

关键词：高超声速流横向喷流干扰真实气体效应空气动力