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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

基于拉压转换和变刚度斜坡结构的宽量程压缩传感结构（英文）

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Science China Materials 2024年

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 Shenzhen STRONG Advanced Materials Research Institute Co. Ltd. Frontiers Science Center for Matter Behave in Space Environment Harbin Institute of Technology National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments Center for Composite Materials and StructuresHarbin Institute of Technology

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...

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：

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考虑稀薄效应的微槽道流动线性稳定性

航空学报 2023年第15期44卷 230-247页

作者：毕林邹森唐志共袁先旭吴超中国空气动力研究与发展中心空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室绵阳621000 西北工业大学航空学院西安710072 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

微槽道是微机电系统(MEMS)的重要组成部件,小尺度特征引起的稀薄效应是影响其流动稳定性不可忽视的重要因素,发展适用于稀薄流的稳定性分析方法,揭示稀薄效应对微槽道流动稳定性的影响规律,对于微机电系统功能的实现和性能的改善具有重... 详细信息

微槽道是微机电系统(MEMS)的重要组成部件,小尺度特征引起的稀薄效应是影响其流动稳定性不可忽视的重要因素,发展适用于稀薄流的稳定性分析方法,揭示稀薄效应对微槽道流动稳定性的影响规律,对于微机电系统功能的实现和性能的改善具有重要意义。基于Boltzmann Bhatnagar-Gross-Krook(Boltzmann-BGK)方程,结合Maxwell边界条件,通过求解特征值问题的方法对恒温情况下的平板Couette和平板Poiseuille流动的稳定性进行了参数影响分析。另外,现有针对Rayleigh-Bénard流动的研究集中于单原子气体,采用Navier-Stokes方程结合滑移修正边界条件的方法,分析了单、双原子气体对Rayleigh-Bénard流动稳定性的影响,并考虑了不同的分子模型。结果表明,对于平板Cou⁃ette和平板Poiseuille流动,稀薄效应以及增大适应系数均起稳定作用;增大马赫数对Poiseuille流动起不稳定作用,而对Couette流动稳定性的影响规律与扰动波的形式(驻波或行波)相关,当扰动波形式相同,增大马赫数起不稳定作用,当扰动波形式不同,存在马赫数越大流动越稳定的情况。对于Rayleigh-Bénard流动,相较于变硬球和变软球模型的单或双原子气体,硬球双原子气体具有最大的不稳定参数范围;当波数较大时,稀薄效应起稳定作用,当波数较小时,存在稀薄程度越大增长率越大的情况。

关键词：微槽道稀薄效应线性稳定性气体动理论滑移修正边界条件

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基于自适应笛卡尔网格的飞翼布局流动模拟

航空学报 2022年第8期43卷 388-399页

作者：陈浩华如豪袁先旭唐志共毕林中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 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

小展弦比飞翼布局具有较好的隐身和气动性能,是未来战机的先进布局。对飞翼飞机进行CFD数值模拟时,其全翼式设计使得高质量贴体网格的生成存在一定的难度。相比之下,自适应笛卡尔网格方法具有自动化和高质量兼顾的优势。本文对自适应笛... 详细信息

小展弦比飞翼布局具有较好的隐身和气动性能,是未来战机的先进布局。对飞翼飞机进行CFD数值模拟时,其全翼式设计使得高质量贴体网格的生成存在一定的难度。相比之下,自适应笛卡尔网格方法具有自动化和高质量兼顾的优势。本文对自适应笛卡尔网格技术进行发展,并开展小展弦比飞翼布局的数值仿真研究。采用全线程树笛卡尔网格数据结构,结合改进后的网格单元类型判断方法,以及基于几何特征和流场解特征的自适应方法,并通过虚拟层技术优化近壁网格,发展了高效、鲁棒、高质量的三维自适应笛卡尔网格生成技术;对于非贴体物面边界的处理,发展了基于浸入边界方法思想的虚拟单元重构技术,构造了高保真的非贴体笛卡尔网格边界条件;针对黏性流动控制方程,发展了笛卡尔网格框架下的数值离散方法,建立了适用于自适应笛卡尔网格的Navier-Stokes方程数值求解器;基于上述工作,开展了自适应笛卡尔网格技术在小展弦比飞翼布局低速流动问题中的应用研究,证明了本文所发展的技术方法的可靠性,并探究了自适应技术对于流场特征和气动力特性的影响作用。

关键词：飞翼笛卡尔网格浸入边界方法非贴体自适应技术

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激波/湍流边界层干扰低频非定常性研究评述

航空学报 2022年第1期43卷 1-21页

作者：范孝华唐志共王刚杨彦广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 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

激波/湍流边界层干扰(STBLI)普遍发生在超声速和高超声速内外流动中,激波诱导流动分离的低频非定常性,表现为激波低频运动以及分离泡的膨胀/收缩,导致其产生的物理机制一直存在一定的争议,受到持续广泛的关注和研究。这种低频非定常性... 详细信息

激波/湍流边界层干扰(STBLI)普遍发生在超声速和高超声速内外流动中,激波诱导流动分离的低频非定常性,表现为激波低频运动以及分离泡的膨胀/收缩,导致其产生的物理机制一直存在一定的争议,受到持续广泛的关注和研究。这种低频非定常性的驱动机制一般可分为3类:①认为这种低频非定常性的来源是上游边界层;②认为是受下游分离流动固有特征所主导;③近期的研究有将2种机制调和在一起的趋势,认为上游/下游机制都存在于激波/边界层低频非定常性中,各自作用的权重受分离程度的影响。若将激波与边界层耦合作为一个动力学系统来考察,该系统可以用一阶低通滤波器来描述,无论干扰来自上游还是下游,其选择性地对特定频率以下的脉动进行响应。本文分别对3种物理机制进行了评述,并且基于已有的研究结果和作者的认知,展望了需要重点关注的研究方向。

关键词：激波湍流边界层干扰流动分离低频非定常性

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Φ3 m高温风洞流场性能校准

空气动力学学报 2023年第11期41卷 28-35,I0001页

作者：唐志共陈德江朱超曾令国吴锦水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

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞,采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能,开展了风洞调试和流场校测试验。试验... 详细信息

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞,采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能,开展了风洞调试和流场校测试验。试验结果表明:风洞可模拟马赫数4~7、高度17~30 km飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分、时间等参数,最高总温2335 K;风洞流场品质好、均匀区尺寸大,喷管出口均匀区尺寸达到喷管出口直径的80%以上,均匀区内马赫数和总温偏差均优于2%;流向马赫数菱形均匀区大于理论预测值,流向总温均匀区呈直筒形分布;风洞长时间运行时流场参数波动小,马赫数和总温波动均优于2%。风洞具备了开展高速飞行器空气动力学、推进、材料与结构等试验研究的能力。

关键词：高温风洞试验流场品质流场校测