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A robust implicit high-order discontinuous Galerkin method for solving compressible Navier-Stokes equations on arbitrary grids

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Acta Mechanica Sinica 2024年第8期40卷 96-119页

作者： Jia Yan Xiaoquan Yang peifen weng Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy EngineeringSchool of Mechanics and Engineering ScienceShanghai UniversityShanghai200072China College of Energy and Mechanical Engineering Shanghai University of Electric PowerShanghai200090China

The primary impediments impeding the implementation of high-order methods in simulating viscous flow over complex configurations are robustness and *** challenges impose significant constraints on computational efficiency,particularly in the domain of engineering *** address these concerns,this paper proposes a robust implicit high-order discontinuous Galerkin(DG)method for solving compressible Navier-Stokes(NS)equations on arbitrary *** method achieves a favorable equilibrium between computational stability and *** solve the linear system,an exact Jacobian matrix solving strategy is employed for preconditioning and matrix-vector generation in the generalized minimal residual(GMRES)*** approach mitigates numerical errors in Jacobian solution during implicit calculations and facilitates the implementation of an adaptive Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)number increasing strategy,with the aim of improving convergence and *** further enhance the applicability of the proposed method for intricate grid distortions,all simulations are performed in the reference *** practice significantly improves the reversibility of the mass matrix in implicit calculations.A comprehensive analysis of various parameters influencing computational stability and efficiency is conducted,including CFL number,Krylov subspace size,and GMRES convergence *** computed results from a series of numerical test cases demonstrate the promising results achieved by combining the DG method,GMRES solver,exact Jacobian matrix,adaptive CFL number,and reference domain calculations in terms of robustness,convergence,and *** analysis results can serve as a reference for implicit computation in high-order calculations.

关键词： Discontinuous Galerkin method Exact Jacobian matrix GMRES solver Adaptive CFL number Reference domain High-order

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An improved constant volume cycle model for performance analysis and shape design of PDRE nozzle

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Applied Mathematics and Mechanics(English Edition) 2018年第2期39卷 193-206页

作者： Guangyu LI Xiaowei LI Jue DING peifen weng Zhanbin LU Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics Shanghai University

An improved constant volume cycle （CVC） model is developed to analyze the nozzle effects on the thrust and specific impulse of pulse detonation rocket engine （PDRE）. Theoretically, this model shows that the thrust coefficient/specific impulse of PDRE is a function of the nozzle contraction/expansion ratio and the operating frequency. The relationship between the nozzle contraction ratio and the operation frequency is obtained by introducing the duty ratio, by which the key problem in the theoretical design can be solved. Therefore, the performance of PDRE can be accessed to guide the preliminary shape design of nozzle conveniently and quickly. The higher the operating frequency of PDRE is, the smaller the nozzle contraction ratio should be. Besides, the lower the ambient pressure is, the larger the expansion ratio of the nozzle should be. When the ambient pressure is 1.013 × 105 Pa, the optimal expansion ratio will be less than 2.26. When the ambient pressure is reduced to vacuum, the extremum of the optimal thrust coefficient is 2.236 9, and the extremum of the specific impulse is 321.01 s. The results of the improved model are verified by numerical simulation.

关键词： pulse detonation rocket engine (PDRE) nozzle specific impulse thrust,constant volume cycle (CVC) model

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Noise control for high subsonic jet flows by inner wall treatment

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Advances in Aerodynamics 2023年第1期5卷 332-361页

作者： Huyue Mao Xiaolong Tang Xiaoquan Yang Jue Ding peifen weng Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics School of Mechanics and Engineering ScienceShanghai UniversityShanghai 200444China Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090China

Subsonic jet nozzles,commonly used in passenger aircrafts,generate significant noise that travels both downstream and upstream due to large-scale or fine-scale turbulence in the jet *** reduce jet noise,a novel wall treatment method,termed the wavy inner wall(WIW),is *** this method,the smooth inner wall near the exit of the nozzle is replaced by treated walls that carry small wavy *** simulations were conducted to investigate the effects of the WIW *** eddy simulations(LES)were used to predict the unsteady flow field and the far-field noise,followed by the analogy method proposed by Ffowcs Williams and *** better understand the mechanism behind the noise reduction achieved by the WIW treatment,the shear-layer instability,radial and azimuthal auto-correlation functions,turbulent kinetic energy,and acoustic source term from the Tam-Auriault(TA)jet-noise model were *** indicated that the WIW treatment advances the onset of jet flow instability in the shear-layer,leading to the early breakdown of jet shear-layer and production of different scales of downstream turbulent *** a result,the distribution and production of turbulent kinetic energy are affected,and the genera-tion and emission of jet noise are *** WIW treatment enables the control of fine scale turbulence,resulting in the reduction of mid-to high-frequency noise in the far field,while ensuring a low thrust *** feature makes the WIW method a promis-ing approach for jet noise control.

关键词： Jet noise Wavy inner wall Noise control Large eddy simulation

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气液两相流泄漏扩散的数值模拟

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应用力学学报 2006年第2期23卷 182-186页

作者：李萍丁珏翁培奋上海大学上海200072

采用Eulerian-Lagrangian方法数值模拟过热液体丙烷从喷嘴释放后射流的发展过程。其中,对丙烷蒸汽与空气的气相混合物采用欧拉法求解,利用拉格朗日法跟踪丙烷液滴的运动轨迹,并加入颗粒随机轨道模型来考虑液滴的湍流扩散效应,数值计算... 详细信息

采用Eulerian-Lagrangian方法数值模拟过热液体丙烷从喷嘴释放后射流的发展过程。其中,对丙烷蒸汽与空气的气相混合物采用欧拉法求解,利用拉格朗日法跟踪丙烷液滴的运动轨迹,并加入颗粒随机轨道模型来考虑液滴的湍流扩散效应,数值计算所得的物理参量与实验测量结果相吻合。在此基础上,本文将此数值模型和方法应用于开放空间、常温高压下储存液化气(丙烷)的容器发生小孔泄漏时,两相射流在大气中的扩散过程,计算结果符合实际情况。文中还讨论了影响两相流扩散过程的主要因素,为预测可能发生的火灾爆炸事故提供理论依据。

关键词：气液两相流拉格朗日-欧拉模型随机轨道模型蒸发

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不同湍流模型对水平轴风力机三维粘性气流特性的影响

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太阳能学报 2010年第1期31卷 86-90页

作者：关鹏丁珏翁培奋上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐... 详细信息

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐渐发展,且由于三维旋转效应使得展向流动逐渐增强。和相关实验结果比较,选择不同的湍流模型对数值模拟结果有明显影响,其中RNG k-ε和SST k-ω两种模型可以获得较好的压力分布计算精度。综合考虑压力分布、功率系数和推力系数在不同工况下与实验结果的比较,选择SST k-ω湍流模型较适合模拟该水平轴风力机周围复杂的三维湍流流动。

关键词：水平轴风力机湍流模型粘性流动数值模拟

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铁路空调硬卧车内气流分布的数值模拟

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应用力学学报 2006年第1期23卷 132-136页

作者：张登春邹声华翁培奋湖南科技大学湘潭411201 上海大学上海200072

建立了铁路空调硬卧车内CFD仿真模型,对车厢内流场、温度场和热舒适性评价指标进行了分析。采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,应用控制容积法和交错网格进行离散。计算了空调硬卧车内三维空气流场和温度场,并与实验结果... 详细信息

建立了铁路空调硬卧车内CFD仿真模型,对车厢内流场、温度场和热舒适性评价指标进行了分析。采用稳态不可压缩雷诺时均N-S方程、k-ε湍流模型,应用控制容积法和交错网格进行离散。计算了空调硬卧车内三维空气流场和温度场,并与实验结果进行了对照,两者吻合较好。在此基础上分析了车厢内人体热舒适性,结果表明车厢中部和端部铺位PMV分布不同,端部人体热舒适感较好,中部较差;而且同一计算断面不同铺位的人体热舒适感差异较大:上铺有较大区域PMV1.0,人体感觉偏暖。

关键词：硬卧车厢气流分布计算流体动力学数值模拟

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蒙特卡洛方法数值研究大气颗粒物动力学效应和辐射传输性质

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力学学报 2016年第3期48卷 557-565页

作者：丁珏李家骅邱骁翁培奋上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072

爆发性增强的雾天,空气污染严重能见度低,这与大气边界层湍流性质、悬浮颗粒的动力学及散射性质密切相关.文中基于颗粒群平衡方程和Mie理论,采取加权蒙特卡洛方法,自行开发了Fortran程序.文中计算所得的颗粒尺度分布函数、颗粒散射性质... 详细信息

爆发性增强的雾天,空气污染严重能见度低,这与大气边界层湍流性质、悬浮颗粒的动力学及散射性质密切相关.文中基于颗粒群平衡方程和Mie理论,采取加权蒙特卡洛方法,自行开发了Fortran程序.文中计算所得的颗粒尺度分布函数、颗粒散射性质与实验值、理论解一致,验证了数值模型和方法的正确性.此外,数值研究了雾爆发性增强阶段雾滴谱拓宽、能见度降低的机理,讨论湍流输运和颗粒局部聚集效应下颗粒间的碰并过程,并耦合颗粒散射性质,数值分析雾发展中湍流耗散率对颗粒对径向相对速度、系统透过率的影响;以及颗粒对径向相对速度与系统透过率、颗粒尺度的关系.研究结果表明:随着湍流耗散率的增大,颗粒的径向相对速度呈现先缓慢而后快速增大的变化趋势.1 000 s时刻,湍流的耗散率为1.0×10^(-2)m^2/s^3,颗粒径向相对速度(无量纲)为0.096 9;对于0.6μm的可见光,雾环境颗粒系统的透过率为0.47.此外,雾发展中雾滴易与气溶胶碰并,系统的散射性质与水组成的雾滴系统不同,天气的能见度明显降低.

关键词：雾天气溶胶湍流耗散率碰撞凝并辐射传输加权蒙特卡洛方法

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收一扩喷管内二维紊流的数值研究

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上海交通大学学报 1994年第4期28卷 138-142页

作者：翁培奋何友声

本文应用隐式有限差分理论对喷管内二维紊流流动进行了数值求解．采用了贴体曲线坐标系统，代数紊流方程模化紊流，整个流场用时间推进迭代方法获得．研究表明，控制方程右端粘性项矢是主变量欠的一个线性函数．文中所提供的计算方法与... 详细信息

本文应用隐式有限差分理论对喷管内二维紊流流动进行了数值求解．采用了贴体曲线坐标系统，代数紊流方程模化紊流，整个流场用时间推进迭代方法获得．研究表明，控制方程右端粘性项矢是主变量欠的一个线性函数．文中所提供的计算方法与计算结果将为三维非定常计算打下基础．

关键词：喷管数值计算有限差分湍流

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涡轮叶片波纹内冷通道流动传热机理研究

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航空动力学报 2024年第8期39卷 97-106页

作者：吴忱韩柴军生杨小权丁珏翁培奋上海大学力学与工程科学学院上海200444 中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015

针对叶片强化冷却散热的关键科学问题,提出并设计了新型波纹通道冷却结构,开展了精细化数值模拟,分析冷气进口雷诺数和波纹形状参数对其传热性能的影响,研究了高雷诺数涡轮叶片波纹通道冷却结构的流动传热机理。计算结果表明:波纹通道... 详细信息

针对叶片强化冷却散热的关键科学问题,提出并设计了新型波纹通道冷却结构,开展了精细化数值模拟,分析冷气进口雷诺数和波纹形状参数对其传热性能的影响,研究了高雷诺数涡轮叶片波纹通道冷却结构的流动传热机理。计算结果表明:波纹通道波峰波谷的交替出现对流场有强烈扰动效果,局部表面传热系数可达光滑通道的2~3倍;同一波纹不同位置传热效果不同,在管道收缩处表面传热系数最大;波纹通道传热能力与波纹形状密切相关,在冷气进口雷诺数较大时于H/L=0.115附近传热效果最佳。论文揭示了波纹通道强化传热的物理机制,为航空发动机叶片冷却结构设计提供技术支撑。

关键词：涡轮叶片流动传热表面传热系数冷却结构设计波纹通道

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增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

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爆炸与冲击 2019年第2期39卷 1-9页

作者：饶飞雄雷知迪丁珏翁培奋上海大学应用数学和力学研究所上海200072

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。... 详细信息

在激波、火焰及射流同时存在的流场中,组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器,采用C_2H_2/O_2/Ar反应,数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性,并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性,产生漩涡,加速能量、质量的交换。流场产生热点,促进火焰速度加快,追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内,前导激波速度越大,碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。

关键词：脉冲爆震发动机燃烧转爆轰喷射器热点火焰速度

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