非结构网格下气动热力耦合数值方法研究

论文摘要

流动和热传导的耦合计算在工程中有着很好的应用前景。特别适用于带有内冷通道的涡轮叶片的换热问题。论文开发了一套基于Gambit商业软件的接口软件GMT（Gambit Mesh Transfer）,通过读取Gambit软件生成的msh文件的数据来建立一种一一映射关系的非结构网格数据结构。基于上述GMT软件建立的非结构网格数据结构,论文开发了一套非结构网格算法的气动热力耦合计算程序,气动部分是通过计算雷诺平均下的N-S方程来完成,湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras模型。热传导部分是通过计算导热方程来完成的。每次迭代过程中,气动热力耦合过程是通过在流固交界面保持一致的温度和连续的当地热通量来实现的。而耦合过程的关键在于计算出满足交界面两端等热通量的交界面温度。在流固交界面上,为了避免插值而建立了一个点对点的交界面网格关系以保证流固计算域之间的信息传递。为了验证程序的可靠性,论文计算了湍流平板、跨音流凸包、层流耦合平板和Mark-Ⅱ涡轮导叶四个算例。所有计算的结果都与理论和试验结果吻合良好。证明了程序气动耦合计算具有一定的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气热耦合方法及其必要性
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 非结构网格数值计算方法
• 1.3.2 气动热力耦合方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 非结构网格数值方法
• 2.1 选择控制体
• 2.2 迎风对流通量的离散方法
• 2.2.1 Gauss-Green梯度重构
• 2.2.2 Least-Square梯度重构
• 2.2.3 虚边技术
• 2.3 限制器
• 2.4 粘性通量
• 2.5 熵修正
• 2.6 湍流模型
• 第三章 数值网格的生成
• 3.1 非结构化网格的优点和生成方法
• 3.2 基于Gambit软件的网格生成
• 3.3 接口软件GMT（Gambit Mesh Transfer）
• 第四章 流体求解
• 4.1 矢量形式的N-S 方程
• 4.2 方程的无量纲化
• 4.3 数值格式
• 4.4 边界条件
• 4.4.1 亚音进口边界条件
• 4.4.2 超音进口边界条件
• 4.4.3 亚音出口边界条件
• 4.4.4 超音出口边界条件
• 4.4.5 无渗透边界条件
• 4.4.6 无滑移边界条件
• 4.4.7 周期性边界条件
• 4.5 时间推进
• 4.6 预处理形式的N-S方程
• 第五章 固体热传导求解
• 5.1 修改的N-S方程
• 5.2 控制方程的无量纲化
• 5.3 数值格式
• 5.4 边界条件
• 第六章 交界面的耦合过程
• 6.1 物理过程
• 6.2 执行过程
• 6.2.1 求解过程
• 6.2.2 沿着交界面的计算域拓扑关系的建立
• 第七章 程序的验证
• 7.1 湍流平板气动验证
• 7.2 跨音流凸包气动验证
• 7.3 平板热传导验证
• 7.4 层流平板气动热力耦合验证
• 7.5 MarkⅡ叶片耦合验证
• 7.5.1 叶片几何形状
• 7.5.2 计算域、边界条件和网格的生成
• 7.5.3 结果与分析
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文