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壁面条件对高温热化学非平衡激波/湍流边界层干扰的影响

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空天技术 2023年第3期2023卷 40-51页

作者：蒋浩车学科张天天龚陟阳柴振霞柳军航天工程大学宇航科学与技术系国防科技大学空天科学学院高超声速冲压发动机技术重点实验室中国人民解放军91115部队

针对高马赫数、高雷诺数流动条件下高温激波/湍流边界层干扰机理认识存在的不足，采用自开发的热化学非平衡Navier-Stokes全隐式湍流求解器对典型激波/湍流边界层干扰流动开展了壁面条件影响的仿真研究，其中，热力学模型采用Park双温... 详细信息

针对高马赫数、高雷诺数流动条件下高温激波/湍流边界层干扰机理认识存在的不足，采用自开发的热化学非平衡Navier-Stokes全隐式湍流求解器对典型激波/湍流边界层干扰流动开展了壁面条件影响的仿真研究，其中，热力学模型采用Park双温度模型，化学反应基于Gupta的11组元模型，完整推导了雷诺平均热化学非平衡方法，植入了k-ωSST湍流模型，并采用典型算例进行验证。对高度30 km、马赫数20飞行条件下的34°压缩拐角流场进行了计算，结果表明，壁面温度和壁面催化条件的准确判断对确定高马赫数条件下激波/湍流边界层干扰壁面峰值参数至关重要，峰值摩阻和热流出现在颈部区域，颈部区域边界层近似处于热平衡状态。随着壁温升高，分离区长度略微增大，峰值热流相应减小，壁面温度对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达30%和10%左右，壁面催化条件对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达5%和20%左右。因此，在利用高超声速多物理场数值模拟手段进行飞行器辅助设计时，必须采用极限边界条件进行状态拉偏，以确定飞行器结构、热防护等系统的极限工作条件。

关键词：热化学非平衡高温湍流模型高超声速激波/湍流边界层干扰峰值热流壁面温度壁面催化

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谐波平衡法数值模拟周期性非定常流动

国防科技大学学报 2017年第4期39卷 168-173页

作者：柴振霞刘伟刘绪杨小亮国防科技大学航天科学与工程学院湖南长沙410073

谐波平衡法是目前非定常流动数值研究中颇受关注的频域计算方法,该方法计算效率高,特别是对于周期性非定常流动问题具有明显的计算优势。采用谐波平衡法数值模拟高超声速导弹标模模型在不同参数下的强迫俯仰振动,重建气动力/力矩系数迟... 详细信息

谐波平衡法是目前非定常流动数值研究中颇受关注的频域计算方法,该方法计算效率高,特别是对于周期性非定常流动问题具有明显的计算优势。采用谐波平衡法数值模拟高超声速导弹标模模型在不同参数下的强迫俯仰振动,重建气动力/力矩系数迟滞曲线,将计算结果与时域方法相比较,详细考察谐波平衡法的计算精度、效率和内存需求,分析不同参数对谐波平衡法计算的影响。计算结果表明,谐波平衡法适用于中小振幅下的非定常流动计算,且计算时间基本不受减缩频率的影响,对于长周期低频问题,较时域方法有明显计算优势。

关键词：非定常流动谐波平衡法时域方法数值模拟 Navier-Stokes方程

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机体/推进一体化飞行器动导数频域计算方法

国防科技大学学报 2018年第3期40卷 30-36页

作者：柴振霞刘伟刘绪杨小亮国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

运用Etkin非定常气动力模型,将谐波平衡法应用于复杂外形动导数辨识。计算结果表明:谐波平衡法和时域方法的动导数辨识结果一致,与实验值吻合,验证了程序的正确性和谐波平衡法的可靠性。采用谐波平衡法对类X-51高超声速机体/推进一体化... 详细信息

运用Etkin非定常气动力模型,将谐波平衡法应用于复杂外形动导数辨识。计算结果表明:谐波平衡法和时域方法的动导数辨识结果一致,与实验值吻合,验证了程序的正确性和谐波平衡法的可靠性。采用谐波平衡法对类X-51高超声速机体/推进一体化飞行器WR-A进行动导数辨识,并与时域方法的计算结果比较,考察了该方法在复杂外形下数值模拟非定常流动和动导数辨识的能力。实验结果表明:对于WR-A这种复杂外形飞行器,谐波平衡法也能在保证精度的同时具有较高的计算效率。

关键词：高超声速飞行器谐波平衡法时域方法数值模拟动导数

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飞行器动态稳定性参数计算方法研究进展

航空学报 2016年第8期37卷 2348-2369页

作者：刘绪刘伟柴振霞杨小亮国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073

动态稳定性参数(简称动导数)是飞行器控制系统设计、飞行器动不稳定发生边界分析及相应动态稳定性判据研究的关键气动参数。在对飞行稳定性问题进行概述的基础上,介绍飞行器动态稳定性参数数值模拟的国内外研究进展。并按照理论方法、... 详细信息

动态稳定性参数(简称动导数)是飞行器控制系统设计、飞行器动不稳定发生边界分析及相应动态稳定性判据研究的关键气动参数。在对飞行稳定性问题进行概述的基础上,介绍飞行器动态稳定性参数数值模拟的国内外研究进展。并按照理论方法、工程近似方法及计算流体力学(CFD)模拟方法的动导数发展方向对近年来主要的动导数计算方法进行了综述,评价了各种动导数预测方法的优缺点,指出了动导数数值模拟在理论基础、非定常气动力建模、预测方法精度和效率等方面存在的问题。最后对动导数数值模拟的发展趋势进行了展望。

关键词：数值方法计算流体力学稳定性时域分析动导数

可变周期谐波平衡法求解周期性非定常涡脱落问题

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物理学报 2019年第12期68卷 147-162页

作者：柴振霞刘伟杨小亮周云龙国防科技大学空天科学学院

谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法.本文研究可变周期谐波平衡法,通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题.对于这类流动变化周期未知的非定常问题,将涡脱落周期T作为变量... 详细信息

谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法.本文研究可变周期谐波平衡法,通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题.对于这类流动变化周期未知的非定常问题,将涡脱落周期T作为变量,采用基于残差导数的可变周期计算方法推进求解.以圆柱绕流和方柱绕流为例,研究考察了谐波平衡法的计算精度和效率,并分析研究了不同参数对计算结果的影响.针对圆柱绕流问题,采用三种不同优化方法进行周期T的迭代计算,对比研究了它们的计算精度和效率.计算结果表明:谐波平衡法采用3个谐波数就可以准确模拟周期性非定常涡脱落问题,辨识的涡脱落频率和阻力系数与实验值及其他数值结果一致,与时域方法相比该方法具有较高的计算效率.不同优化方法的计算结果相同,共轭梯度法和牛顿法的收敛速度与最速下降法采用较大搜索步长时的收敛速度一致.由于牛顿法没有参数问题,因此该方法在工程计算中更有优势.

关键词：周期性非定常流动数值模拟谐波平衡法可变周期计算方法

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谐波平衡法在周期性非定常问题中的应用研究

谐波平衡法在周期性非定常问题中的应用研究

作者：柴振霞国防科学技术大学

学位级别：硕士

谐波平衡法是近年来数值模拟非定常流动所发展的频域计算方法,是传统时域计算方法之外的另一种方法。该方法以傅里叶级数展开为基础,将非定常流动转化为几个时刻的“定常”流动耦合求解,并通过重建得到整个非定常流动过程。本文从谐波... 详细信息

谐波平衡法是近年来数值模拟非定常流动所发展的频域计算方法,是传统时域计算方法之外的另一种方法。该方法以傅里叶级数展开为基础,将非定常流动转化为几个时刻的“定常”流动耦合求解,并通过重建得到整个非定常流动过程。本文从谐波平衡法的理论出发,推导三维RANS方程的谐波平衡方程。采用谐波平衡法数值求解了不同边界条件下的一维波动方程和Burgers方程,验证谐波平衡法的可行性和有效性,结果表明:边界条件、振幅、频率和网格密度对求解都会产生影响;流场中存在间断时,计算需要足够多的谐波才能达到精度要求。数值模拟HBS模型在不同参数下的强迫俯仰振动,详细考察谐波平衡法的计算精度、效率和内存需求。结果表明:谐波平衡法特别适用于中小振幅下的非定常流动计算,且计算时间受减缩频率影响较小,和时域方法相比,谐波平衡法数值模拟长周期问题优势明显。基于Etkin非定常气动力模型,将谐波平衡法应用于动导数辨识,给出HBS模型小振幅强迫俯仰振动下的动导数计算结果。计算表明:谐波平衡法和时域方法的动导数辨识结果基本一致,与实验值较为接近,进一步验证了程序的正确性和谐波平衡法的可靠性。数值模拟了类X51机体/推进一体化飞行器在不同攻角下的强迫俯仰振动,进行动导数辨识,结果与时域方法的相比,初步考察了谐波平衡法在复杂外形下数值模拟非定常流动和动导数辨识的能力。

关键词： NS方程谐波平衡法时域方法数值模拟动导数

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前缘和转轴影响翼摇滚特性的数值模拟

国防科技大学学报 2021年第3期43卷 79-85页

作者：杨小亮黄世林杨起柴振霞孙喜万刘伟国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 中国人民解放军93108部队黑龙江齐齐哈尔161007

采用耦合求解N-S方程和Euler刚体动力学方程的数值模拟方法研究80°后掠三角翼摇滚特性,讨论机翼前缘构型和滚转轴位置对三角翼摇滚特性的影响。N-S方程的离散采用Roe格式和含双时间步的LU-SGS方法,刚体动力学方程的离散采用二阶精度的... 详细信息

采用耦合求解N-S方程和Euler刚体动力学方程的数值模拟方法研究80°后掠三角翼摇滚特性,讨论机翼前缘构型和滚转轴位置对三角翼摇滚特性的影响。N-S方程的离散采用Roe格式和含双时间步的LU-SGS方法,刚体动力学方程的离散采用二阶精度的差分方法,通过交替求解流动和运动控制方程组的耦合策略,模拟80°后掠三角翼自激摇滚的非定常过程。针对转轴安装于上表面的细长三角翼,研究前缘上削尖、下削尖和双面削尖三种构型的翼摇滚特性,分析前缘构型对摇滚振幅及分岔攻角的影响。考虑到上削尖和下削尖构型在翻转后相当于前缘构型互换但转轴位置不同,进一步考察了滚转轴位置对三角翼摇滚特性的影响。结果表明:在一定的攻角下,三种不同前缘构型的三角翼均能形成大幅自维持的摇滚现象,其中上削尖前缘的三角翼振幅最大,双面削尖前缘次之,下削尖前缘三角翼振幅最小;攻角增大到30°以后,双面削尖和上削尖前缘的三角翼会发生翻转现象,翻转180°以后维持等幅振荡。

关键词：三角翼翼摇滚前缘构型转轴位置数值模拟

一种线上线下混合式课堂教学活动融合的方法与实践

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教育进展 2022年第1期12卷 38-43页

作者：辛朝军柴振霞张天天李晓阳宋俊玲航天工程大学宇航科学与技术系北京

文章首先阐述了线上线下混合式教学的学理基础,分析并论述了线上与线下教学活动有效衔接与整合这一混合教学模式内涵核心。在此基础上,文章以理论力学课程为例,设计并实践了一种基于课前任务单的线上线下混合式课堂教学活动融合方法,详... 详细信息

文章首先阐述了线上线下混合式教学的学理基础,分析并论述了线上与线下教学活动有效衔接与整合这一混合教学模式内涵核心。在此基础上,文章以理论力学课程为例,设计并实践了一种基于课前任务单的线上线下混合式课堂教学活动融合方法,详细讨论了不同教学阶段中,各个教学活动的设计目标及其组织实施方法,可为大学同类课程的线上线下混合式教学实践提供借鉴和参考。

关键词：线上线下混合式教学课前任务单教学活动融合

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吸气式内外流一体化飞行器动导数数值模拟

空气动力学学报 2015年第2期33卷 147-155页

作者：刘绪刘伟周云龙柴振霞国防科学技术大学航天科学与工程学院湖南长沙410073

动导数是飞行器轨道及姿态控制系统设计时的重要参数,对飞行器开环系统受到扰动时振荡的敛散特性起重要作用。在标模验证的基础上开展吸气式内外流一体化飞行器WR-A动态特性分析,采用N-S方程模拟强迫简谐振动的非定常流场,获得了飞行器... 详细信息

动导数是飞行器轨道及姿态控制系统设计时的重要参数,对飞行器开环系统受到扰动时振荡的敛散特性起重要作用。在标模验证的基础上开展吸气式内外流一体化飞行器WR-A动态特性分析,采用N-S方程模拟强迫简谐振动的非定常流场,获得了飞行器的直接阻尼导数、加速度导数和旋转导数,并对WR-A外形大振幅振动时的进气道性能参数进行了分析。研究表明,在某些情况下反映流动时滞效应的加速度导数占直接阻尼导数的比例最高可以达到40%以上,而在某些情况与直接阻尼导数符号相反。此外,在动导数研究基础上,采用参数化的动导数概念初步开展了非定常气动参数建模研究。针对WR-A大振幅强迫振动的研究显示,采用所建立的模型预测的气动参数与完全非定常计算吻合较好。

关键词：吸气式高超声速飞行器动导数强迫振动数值模拟 N—S方程