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冰脊形成过程数值模拟及NSDBD防护研究

南京航空航天大学学报 2024年第2期56卷 307-317页

作者：牛俊杰郭琪磊石淼鑫孔满昭桑为民西北工业大学航空学院西安710072 中航第一飞机设计研究院气动设计研究室西安710089

冰脊会造成机翼气动性能的降低,是危害飞行安全的重要因素。利用结构化网格和中心有限体积法求解N⁃S方程获得空气流场,运用拉格朗日法获得水滴撞击特性,基于Messinger结冰热力学模型针对NACA 0012翼型的结冰进行了数值模拟,获得的冰型... 详细信息

冰脊会造成机翼气动性能的降低,是危害飞行安全的重要因素。利用结构化网格和中心有限体积法求解N⁃S方程获得空气流场,运用拉格朗日法获得水滴撞击特性,基于Messinger结冰热力学模型针对NACA 0012翼型的结冰进行了数值模拟,获得的冰型与实验结果吻合良好,验证了计算方法的准确性与可行性。在此基础上,在NACA 0012翼型上设置防冰区并考虑防冰热载荷的作用,对大水滴条件下冰脊的形成过程进行了数值模拟,得出了环境温度、液态水含量和防冰热载荷对冰脊形成的影响规律。此外,通过在冰脊形成位置布置纳秒脉冲阻挡介质放电(Nanosecond dielectric barrier discharge,NSDBD)等离子体激励器,探究了在大水滴条件下NSDBD对冰脊的防护效果。研究结果表明:在大水滴情况下,环境温度的增加使得冰脊的范围增加而高度降低;液态水含量的增加使得冰脊的范围增大并且高度增加;防冰热载荷的增加可以增加防冰区内水分的蒸发,进而减少冰脊的生成;大水滴情况下可能由于水滴直接撞击至下翼面防冰区外进而导致冰脊的形成;NSDBD对空气进行加热,增加溢流水的蒸发,使得低液态水含量下形成的冰脊消失,使得高液态水含量下冰脊的形成位置推后。

关键词：冰脊 Messinger热力学模型数值模拟防冰纳秒脉冲阻挡介质放电

镜像对称顶盖驱动方腔内流过渡流临界特性研究

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力学学报 2022年第9期54卷 2409-2418页

作者：安博孟欣雨桑为民西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室西安710072

流场过渡流临界特性是指流场因流动状态改变而引起的流场物理特性变化.如流动从定常演化为非定常周期性时,流动处于过渡状态的物理性质.它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律,对认清流动现象的形成机理有重要意义.本文在... 详细信息

流场过渡流临界特性是指流场因流动状态改变而引起的流场物理特性变化.如流动从定常演化为非定常周期性时,流动处于过渡状态的物理性质.它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律,对认清流动现象的形成机理有重要意义.本文在之前腔体内流流场过渡流临界特性研究的基础上,针对镜像对称顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究,捕捉各流动分岔点,如Hopf流动分岔点和Neimark-Sacker流动分岔点等,并揭示其对流场特性的影响;分析流场演化模式,随着雷诺数增大从定常状态依次演化为非定常周期性流动、准周期性流动和湍流;揭示各种流动现象的形成机理,如流动滞后、对称性破坏、能量级串等;分析流场拓扑结构,阐明流场镜像对称性和流场稳定性的关系.本文研究成果有助于揭示该流场的物理特性,进一步完善了内流流场特性的研究.研究发现,针对本文镜像对称方腔顶盖驱动内流,流场稳定性的破坏总是以Hopf流动分岔点的出现而发生并且伴随着流场对称性的破坏;流场演化模式符合经典的Ruelle-Takens模式;流动从定常状态演化至非定常周期性流动时存在流动滞后现象.

关键词：镜像对称顶盖驱动方腔过渡流临界特性流场稳定性流场对称性流动分岔点

非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

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力学学报 2023年第10期55卷 2288-2296页

作者：安博孟欣雨杨双骏桑为民西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 翼型、叶栅空气动力学重点实验室西安710072

传统的格子玻尔兹曼方法(LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设... 详细信息

传统的格子玻尔兹曼方法(LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.

关键词：非均匀矩形网格格子玻尔兹曼方法 25点拉格朗日插值计算效率和精度

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基于LBM的结冰表面水滴撞击特性数值模拟

航空学报 2023年第S02期44卷 194-204页

作者：石达志桑为民李世杰安博西北工业大学航空学院西安710072

在飞机结冰场景下,考虑复杂几何的水滴撞击特性的求解,提出了基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的水滴撞击特性求解方法。首先,从动理学理论的多组分格子玻尔兹曼模型出发,通过几个合理的假设,提出了以单相多组分的方式求解空气、水滴的混合流... 详细信息

在飞机结冰场景下,考虑复杂几何的水滴撞击特性的求解,提出了基于格子玻尔兹曼方法(LBM)的水滴撞击特性求解方法。首先,从动理学理论的多组分格子玻尔兹曼模型出发,通过几个合理的假设,提出了以单相多组分的方式求解空气、水滴的混合流场,把气相水即等效水滴的运动特性近似为水滴的运动特性;然后,考虑空气、等效水滴流场的物理特性与假设,建立流场计算模型;最后,基于计算模型,分别计算圆柱和NACA0012的混合绕流流场,求解水滴撞击特性及其水滴收集系数分布,与文献数据对比良好。研究结果表明:提出的计算方法及计算模型可以有效模拟等效水滴在结冰表面的水滴撞击和收集特性,初步验证了模型的可行性。

关键词：水滴撞击特性笛卡尔网格格子玻尔兹曼方法多组分飞机结冰

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深纵比对方腔过渡流临界特性的影响研究

力学学报 2023年第6期55卷 1247-1256页

作者：安博孟欣雨郭世鹏桑为民西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室四川绵阳621000 翼型、叶栅空气动力学国家重点实验室西安710072

流场过渡流临界特性是指流场因流动分岔而引起的流动状态和流场物理特性变化.它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律,对解释复杂流动现象意义重大.文章针对不同深纵比(R∈[0.1,2.0])的顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场... 详细信息

流场过渡流临界特性是指流场因流动分岔而引起的流动状态和流场物理特性变化.它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律,对解释复杂流动现象意义重大.文章针对不同深纵比(R∈[0.1,2.0])的顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究.预测Hopf,Neimark-Sacker和period-doubling流动分岔及湍流始现的临界雷诺数;分析流场演化模式,发现对应不同的深纵比,有些流动遵循经典的Ruelle-Takens模式,有些流动则会由周期性流动跃变至湍流;捕捉和分析各种流动现象,如流场稳定性丧失、能量级串、流场拓扑结构变化规律等.研究成果对于揭示深纵比这一几何参数对腔体内流过渡流临界特性的影响规律意义重大,进一步完善了内流流场特性的研究.研究发现,Moffatt效应不仅存在于拥有尖锐夹角的内部流动中,也出现于挤压拉伸的狭长空间;无论是深腔还是浅腔,流场稳定性最初的破坏总是以Hopf流动分岔的出现而开始;就浅腔(R1.0)而言,相较于经典方腔驱动内流(R=1.0),流场稳定性更容易丧失;沿纵向的几何外形拉伸并不是提升流场稳定性的强制约束.

关键词：顶盖驱动方腔流动过渡流临界特性流场稳定性深纵比流动分岔

基于数值模拟的2种条纹沟槽减阻特性对比分析

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西北工业大学学报 2022年第2期40卷 261-270页

作者：杜淑雅桑为民庞润西北工业大学航空学院陕西西安710072 航空工业西安飞行自动控制研究所陕西西安710076

湍流减阻是流体力学研究的热点问题,在诸多湍流减阻方法中,条纹沟槽因其结构简单和使用方便等特点,受到广泛关注。为了探究沟槽形貌对沟槽减阻效果的影响,采用基于大涡模拟的CFD方法,数值研究三角形与梯形沟槽对湍流边界层流场的影响及... 详细信息

湍流减阻是流体力学研究的热点问题,在诸多湍流减阻方法中,条纹沟槽因其结构简单和使用方便等特点,受到广泛关注。为了探究沟槽形貌对沟槽减阻效果的影响,采用基于大涡模拟的CFD方法,数值研究三角形与梯形沟槽对湍流边界层流场的影响及减阻特性。通过RANS、DES和LES方法分别对光滑槽道湍流进行数值模拟,并与直接数值模拟的结果进行对比,验证了大涡模拟方法的准确性和可行性。基于参考文献的实验结果,对三角形与梯形沟槽湍流边界层流场的积分统计量、一阶统计量和二阶统计量等流场参数进行了对比分析,并通过对减阻率、时均速度、速度脉动均方根、剪应力、湍动能生成项和展向脉动速度等物理参量变化及影响规律研究,探讨了2种条纹沟槽减阻特性,由此得出结论:在相同无量纲条件下,梯形沟槽相较三角形沟槽减阻效果更好。

关键词：湍流减阻大涡模拟湍流边界层流动条纹沟槽

复杂气象条件下考虑结冰风险的无人机飞行策略

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航空学报 2023年第1期44卷 114-130页

作者：郭琪磊桑为民牛俊杰袁烨西北工业大学航空学院西安710072 中国民用航空飞行学院工程技术训练中心广汉618307 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210

为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气... 详细信息

为解决无人机在复杂气象条件下易受结冰影响而威胁其飞行安全的问题,提出了一种考虑结冰风险的无人机航迹规划方法。首先,构建基于中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式的结冰气象预测模型,通过最佳参数化方案组合的结冰气象模拟获得模拟时段内海南乐东地区的温度、压力、液态水含量(LWC)空间分布及时序变化。其次,构建基于代理模型的水滴收集质量快速预测方法。在获取美国联邦航空条例(FAR)25部附录C中连续最大结冰条件下40个采样点处水滴收集质量分布的基础上,利用本征正交分解(POD)降阶模型和Kriging插值算法,建立温度、压力、LWC、平均有效水滴直径(MVD)等结冰气象参数与水滴收集质量之间的代理模型,可快速预测出目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化。最后,根据飞机结冰强度划分等级,以不同结冰强度下水滴收集质量阈值为结冰安全约束,利用基于粒子群优化(PSO)的结冰容限航迹规划方法进行考虑结冰风险的无人机飞行策略研究。研究结果表明:利用WRF模式可获得温度、压力、LWC等结冰气象参数,预测值与观测值匹配良好;基于POD降阶模型和Kriging插值算法,构建的气象参数与水滴收集质量间代理模型可快速准确地获取目标区域内水滴收集质量的空间分布与时序变化;基于PSO的结冰容限航迹规划方法可在不同结冰安全约束条件下,规划出无人机最优航迹。

关键词：无人机结冰气象 Weather Research and Forecasting(WRF) 代理模型水滴收集质量快速预测航迹规划粒子群优化

一种基于水滴收集量代理模型的结冰试飞空域确定方法

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航空学报 2023年第1期44卷 97-113页

作者：牛俊杰桑为民李栋郝莲王泽林西北工业大学航空学院西安710072 中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室绵阳621000 中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院上海201210 中国飞行试验研究院西安710089

针对自然结冰试飞空域确定时使用的结冰指数只能给出结冰概率和结冰等级的问题,提出一种新的方法。通过对美国联邦航空条例(FAR)25部附录C连续最大结冰条件采样,对采样点进行空气流场和水滴撞击特性求解,获得不同工况的水滴收集量;基于P... 详细信息

针对自然结冰试飞空域确定时使用的结冰指数只能给出结冰概率和结冰等级的问题,提出一种新的方法。通过对美国联邦航空条例(FAR)25部附录C连续最大结冰条件采样,对采样点进行空气流场和水滴撞击特性求解,获得不同工况的水滴收集量;基于POD(Proper Orthogonal Decomposition)和Kriging构建水滴收集量代理模型;使用WRF(Weather Research and Forecasting)对目标区域进行气象模拟,获得温度以及液态水含量分布;使用代理模型对目标区域内水滴收集量进行预测,以中度结冰强度对目标区域进行划分;最后,针对2种飞行速度对试飞空域的影响进行研究。结果表明:代理模型能够很好地预测温度、液态水含量、水滴中值体积直径、高度以及速度对水滴收集量的影响;WRF获得的目标区域的温度、液态水含量与观测值符合良好;基于代理模型可快速获得目标区域水滴收集量分布及随时间的变化,还可获得适合自然结冰试飞的目标区域及结冰速度;飞行速度的增加使得水滴收集量增加,进而引起试飞空域的变化。本文对结冰试飞空域确定具有一定参考意义。

关键词：结冰试飞水滴收集量代理模型气象预测飞机结冰 Weather Research and Forecasting(WRF)

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基于不同网格结构的LBM算法研究

力学学报 2013年第5期45卷 699-706页

作者：安博桑为民西北工业大学航空学院西安710072

传统的格子波尔兹曼方法(lattice--Boltzmann method,LBM)通常基于标准均匀网格,这主要取决于速度的空间离散格式.均匀网格结构的特点,使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难,从而限制了它的应用.另外,对于较为复杂的流动,其... 详细信息

传统的格子波尔兹曼方法(lattice--Boltzmann method,LBM)通常基于标准均匀网格,这主要取决于速度的空间离散格式.均匀网格结构的特点,使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难,从而限制了它的应用.另外,对于较为复杂的流动,其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域,在流动变化剧烈的区域,往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息,而均匀网格会使得网格数量过多,这会增加计算量,但网格数量过少又无法获得必要的流场信息,使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题,用不同的网格结构,以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例,探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.

关键词：格子波尔兹曼方法复杂边界计算效率网格结构腔体内流翼型绕流