基于Richardson插值法的CFD验证和确认方法的研究

针对典型高超声速流动问题(T2-97模型),利用Richardson插值法,研究了多套连续变化网格下数值解的空间离散误差、收敛性。通过网格收敛性研究,完成了CFD的验证过程。利用不确定度分析方法,结合实验数据,开展了该问题的确认。研究表明:针对所选问题,在现有实验数据及计算条件下,该问题的CFD得到了验证与确认。     

网格计算技术在大规模CFD计算上的应用

针对大规模数值计算规模化管理的难题,采用网格计算技术将网络环境下分散的计算资源组建了CFD网格计算环境.采用主动接入方式,以中心服务器为核心的网格计算管理和服务模式,构建CFD网格计算环境,实现了CFD计算在网格环境内的自动化计算管理,提高了计算资源的利用效率,降低了设计人员的劳动强度.     

基于拼接网格的孤立螺旋桨特性研究

以某型螺旋桨为研究对象,采用CFD方法对螺旋桨滑流进行数值计算。利用分区拼接网格技术对螺旋桨旋转区域和外流场域进行网格划分及拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,雷诺应力项采用RNG k-ε湍流模型,基于滑移网格方法开展了针对不同高度、不同来流速度及桨叶角的仿真计算。仿真结果表明,数值计算的螺旋桨特性数据与风洞实验数据整体趋势吻合度好,满足工程应用要求,可为后续安装条件下螺旋桨的拉力研究提供参考依据。     

旋翼螺旋桨巡航及悬停状态气动特性研究

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,本文基于叶素-动量组合理论,并耦合了计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。     

基于误差估计的伴随网格自适应方法

网格自适应是一种有效减少解与网格相关性,改善计算结果的重要途径。给出了一种基于误差估计的伴随网格自适应计算技术,定义了基于误差估计的自适应准则,给出了非结构四面体网格单元细化剖分规则,以及一般的网格自适应流程,介绍了一种基于Rechardson外推的网格收敛技术,运用本文提供的方法对NLR7301翼型进行了数值计算研究,数值试验表明给出的网格自适应具有较高的可有效改善计算结果。     

气助式直接喷射喷油器动态喷雾场数值模拟及试验

为了研究小型飞机发动机气助式直接喷射(air-assisted direct injection,AADI)喷油器喷雾形态及发展规律,采用数值模拟和高速摄影技术对其动态喷雾场进行研究.以锥阀运动的物理学模型为数值计算的移动边界条件,结合动网格技术对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、静动压分布和不同时刻雾化颗粒的空间分布进行动态数值模拟分析.以0.2ms为步长,对3.0ms内不同锥阀开启时刻的喷雾形态、雾化颗粒和贯穿距离进行了试验和仿真对比分析.结果表明:采用CFD仿真模拟技术可对AADI喷油器动态喷雾场的速度分布、压力分布、喷雾形态等参数进行定性分析,有利于揭示喷雾的发展规律,同时通过对喷雾粒径和贯穿距离的定量对比分析,表明了仿真计算的精确性,数值模拟计算与试验结果误差小于5%,满足工程应用的要求.      

圆柱筒轴向载荷下单元尺寸效应数值模拟

利用显式非线性有限元方法对薄壁圆柱筒轴向载荷下的动力学响应进行了研究,模拟了圆柱筒在轴向冲击作用下的动力屈曲变形及其发展过程。分析比较了不同单元尺度下冲击模型的数值计算解与理论解,揭示了在进行有限元模拟时存在的网格尺寸效应,为研究有限元网格尺寸与有限元求解精度的内在联系提供参考;为在保证数值解满足工程实际精度要求的前提下,确定合理的单元尺度,提高有限元分析效率进行了有益的探索。     

HyperFLOW 软件数值模拟TrapWing 高升力外形北大核心CSCD

采用High-Lift研讨会提供的梯形翼外形(TrapWing),利用自主研发的基于结构、非结构网格的通用CFD软件HyperFLOW进行了数值计算,以评估其对复杂外形低速流的模拟能力。分别采用了三套不同拓扑结构的计算网格,包括两套非结构/混合网格和一套多块结构网格,每套网格又分为粗、中、细三种密度不同的网格数量以考察其网格收敛性。利用Richardson插值法,对计算结果开展了可信度分析。结果表明,不管是结构网格还是非结构网格,HyperFLOW均建立了可接受的可信度;对于高升力外形数值模拟,SA湍流模型要比SST湍流模型模拟的更准确;在失速迎角附近,现有的二阶精度解算器仍需持续改进。     

基于动网格技术的飞机舱弹分离过程 CFD/ RBD耦合数值仿真

飞机舱弹分离瞬间特性严重影响导弹/炸弹的打击精度。采用计算流体动力学(CFD)和刚体动力学(RBD)模型耦合求解的数值仿真方法,应用网格弹性光顺和局部重构相结合的动网格技术,有效地避免了刚体运动而引起的网格畸变,仿真计算了炸弹舱弹分离后俯仰角度变化过程 .仿真结果表明,舱弹分离时向炸弹施加 1个合适的抛 射力矩,有助于炸弹在下降过程中快速地调整其打击姿态。     

HyperFLOW软件数值模拟TrapWing高升力外形

采用High-Lift研讨会提供的梯形翼外形(TrapWing),利用自主研发的基于结构、非结构网格的通用CFD软件HyperFLOW进行了数值计算,以评估其对复杂外形低速流的模拟能力。分别采用了三套不同拓扑结构的计算网格,包括两套非结构/混合网格和一套多块结构网格,每套网格又分为粗、中、细三种密度不同的网格数量以考察其网格收敛性。利用Richardson插值法,对计算结果开展了可信度分析。结果表明,不管是结构网格还是非结构网格,HyperFLOW均建立了可接受的可信度;对于高升力外形数值模拟,SA湍流模型要比SST湍流模型模拟的更准确;在失速迎角附近,现有的二阶精度解算器仍需持续改进。     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.      

Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode

A rotor CFD solver is developed for simulating the aerodynamic interaction phenomenon among rotor, wing and fuselage of a tilt rotor aircraft in its helicopter mode. The unsteady Navier–Stokes equations are discretized in inertial frame and embedded grid system is adopted for describing the relative motion among blades and nacelle/wing/fuselage. A combination of multi-layer embedded grid and ‘‘extended hole fringe" technique is complemented in original grid system to tackle grid assembly difficulties arising from the narrow space among different aerodynamic components, and to improve the interpolation precision by decreasing the cell volume discrepancy among different grid blocks. An overall donor cell searching and automatic hole cutting technique is used for grid assembly, and the solution processes are speeded up by introduction of Open MP parallel method. Based on this solver, flow fields and aerodynamics of a tilt rotor aircraft in hover are simulated with several rotor collective angles, and the corresponding states of an isolated rotor and rotor/wing/fuselage model are also computed to obtain reference solution.Aerodynamic interference influences among the rotor and wing/fuselage/nacelle are analyzed,and some meaningful conclusions are drawn.     

基于结构动网格的无人机地面效应研究

为了更好地分析地面效应对无人机气动特性的影响,采用一种新的结构动网格生成技术,运用CFD手段对某无人机的地面效应进行了研究。在一套静态网格CFD计算基础上,运用结构动网格生成技术,获得非定常的网格移动,得到一系列的不同攻角、地面效应高度的CFD网格及初始流场。在此基础上进行定常流场求解,计算得到地面效应的定常CFD结果。最后对某双尾撑布局无人机的地面效应进行了CFD计算研究,对相应的全机气动特性的影响进行了分析。计算结果表明：地面效应对平尾的影响大于对机翼的影响并使平尾的失速迎角提前;该方法是可行的,具有一定的工程应用价值。     

悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中,旋翼流场气动性能的计算采用了基于Navier-Stokes/Euler方程的CFD方法,并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型,通量计算采用Roe-MUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解,将流场分成两个区域,即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中,桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成,数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围,有效减小了优化问题的规模;为满足优化和机理分析的需要,将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引入到桨叶外形的优化设计中。首先以Helishape 7A旋翼为算例,检验了数值模拟方法的准确性。然后,应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算,结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。     

考虑喷流效应的机载导弹发射及气动干扰数值模拟

研究比较了机载导弹发射时是否考虑导弹尾喷流情况下导弹运动特性及机-弹气动干扰影响.通过动态结构嵌套网格技术实现了导弹运动的模拟,结合刚体六自由度运动方程求解三维非定常Euler方程得到流场信息.导弹推力由发动机燃烧室喷流计算得到;当不考虑喷流效应时,推力通过直接在导弹尾部给定非定常作用力实现.应用此方法模拟了基于类"全...     

A compressing and saving method for structured grid data based on block construction

The increasing grid data in CFD simulation has brought some new difficulties and challenges, such as high storage cost, low transmission efficiency. In order to overcome these problems,a novel method for compressing and saving the structured grid are proposed. In the present method,the geometric coordinates of the six logical domains of one grid block is saved instead of all grid vertex coordinates to reduce the size of the structured grid file when the grid is compressed. And all grid vertex co...     

一种基于求解椭圆型方程的结构动网格生成方法

基于椭圆型网格生成法,实现了一种简单高效的贴体结构动网格生成方法,可用于具有移动边界问题的非定常流动数值模拟。该方法提出,在网格变形过程中,Poisson方程需要的控制网格间距和正交性的源项可以通过提取已知的静态网格源项直接得到,并在整个动网格生成过程中保持不变。因此,在椭圆型网格生成中需要通过外迭代确定源项的过程可以得到省略,而且该方法不需要人工指定参数。这使得方法具有高效和易于嵌入到已有程序中的特点。数值模拟结果证明,采用这种方法获得的网格能够较好地保持静态网格原有的正交性和光滑性,在相同迭代步数约束下,网格求解效率低于传统弹簧模拟法,但鲁棒性优于弹簧模拟法。     

Numerical simulation of flows around helicopters at DLR and ONERA

This paper presents an overview of recent activities in CFD research conducted within cooperations between DLR and ONERA for the simulation of helicopter arerodynamics. These activities are mainly illustrated by two topics in the framework of a previous 3-year bilateral cooperation on `Rotorcraft CFD code Development', the objective of which was the assessement, comparison and further improvement of the DLR and ONERA Euler/Navier–Stokes methods for the prediction of the flow around isolated helicopter rotors. The first topic is devoted to a comparison of two different grid strategies for time-accurate inviscid flow computations of multibladed rotors in forward flight from the solution of Euler equations: the moving grid approach by ONERA and the overlapping grid technique by DLR. The second topic is concerned with a comparison of respective Euler/Kirchhoff aeroacoustic methods for the prediction of High Speed Impulsive noise of rotors. For the assessment and improvement of Navier–Stokes methods for fuselage drag prediction, a comparison between DLR and ONERA Navier–Stokes solutions achieved within the prediction phase of the Brite/EuRam European project `HELIFUSE' is also presented. The paper is concluded by a summary of ongoing DLR and ONERA research activities in the framework of the new long-term project `CHANCE' (Complete Helicopter AdvaNced Computational Environment) for the development and assessment of common Franco-German CFD tools for the complete helicopter accounting for trim and dynamics.     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

适用于倾转旋翼机气动分析的新型嵌套网格方法

为克服围绕复杂倾转旋翼机生成高质量一体化结构网格的困难，将分块网格策略与嵌套网格方法融合，提出并建立了一套适用于倾转旋翼机气动干扰分析的新型嵌套网格生成方法。该方法中，将整体网格按照倾转旋翼机结构特性进行了分块生成，在保证插值精度的基础上降低了网格规模。为高效连接不同部件网格，首先，引入Inverse Map方法来辅助部件网格定位，采用新颖的多向投影方法保证了部件间洞边界的连续性；其次，基于独立挖洞嵌套策略完成机身与背景网格的组合，并使用了相应的辅助计算坐标进行背景边界网格标识。在贴体网格区域采用基于S A（Spalart Allmaras）湍流模型可压缩RANS(雷诺平均Navier Stokes）方程求解流场，背景网格区域采用欧拉方程，并运用了SPMD(single program, multiple data)模式的并行加速技术，建立了适合倾转旋翼机气动干扰特性分析的高效混合CFD方法。采用Robin直升机机身作为数值算例，验证了CFD方法的有效性。在此基础上着重对倾转旋翼机在悬停、过渡和前飞巡航模式下的干扰流场进行了数值分析研究，分别得出了悬停状态下倾转旋翼机典型的“喷泉效应”干扰现象、过渡状态下的非定常气动干扰特性以及巡航状态下的部件气动变化特性，计算结果表明建立的新型嵌套网格方法能够较好地表征倾转旋翼机外形特性，并能够有效地用于倾转旋翼机的气动特性分析，加速比能超过5.0。