非结构混合网格自适应并行技术

计算流体力学（CFD）模拟实际工程问题所采用的网格规模可达千万量级，并行技术是减少计算时间的有效方法。耦合流场信息的网格自适应技术能有效动态优化计算网格，被NASA视为一项亟待发展的CFD关键技术。混合网格自适应系统包含网格分布优化、表面网格投影和空间网格匹配等关键技术。针对以上3项关键技术分别建立了高效的并行算法。首先，提出了"先唯一后同一"的两步法策略实现了网格单元分布优化过程的并行相容性；其次，基于局部曲面拟合思想，实现了曲面重构和新增物理网格点投影的完全并行；再次，提出了空间网格匹配技术的半并行算法，快速解决了网格单元交错问题。为了提高后续流场计算的并行效率，发展了基于并行重分区-网格数据迁移方法的动态负载平衡技术，并采用圆柱激波流场自适应模拟对动态负载平衡技术进行初步验证。最后，采用三角翼自适应加密测试了自适应系统的并行效率。结果表明，建立的混合网格自适应系统并行效率较高，且相比流场求解耗费总时间的比例低于1%。     

网络连接机群上CFD计算的一种负载平衡方法

讨论在网络连接的分布式存储并行机群上进行CFD计算的一种负载平衡方法和相关问题。当数值计算的方法是区域分解法时,各节点机上的负载与其处理的子区域的网格节点数成正比,所以同样大小的子区域可保证负载平衡。采用负载再分配即区域再剖分的方法来达到动态负载平衡,构造了一种对多块网格(每块内为结构网格但各块间的连接关系可以是非结构的)进行近似平均分划的方法,并用一种数据结构和算法保证了剖分出的多个子区之间正确的互联和边界信息传递关系。给出了用这种剖分算法对常见多块网格进行分划的例子,并对三维流场进行了实际计算。结果证明本文方法是正确的,能有效地均衡计算负载,达到较理想的并行效率。     

电大尺寸目标电磁散射的并行FVTD计算

实际目标的高频电磁散射模拟属于电大尺寸目标电磁计算问题,其高精度数值计算通常伴随着大存储量和大计算量的沉重负担。为保证高精度数值计算,构建了直接求解电磁学麦克斯韦方程组,采用贴体多块结构网格的时域有限体积法(FVTD)解算器。为解决大规模网格带来的大计算量问题,则采用MPI并行编程,进行网格多进程分割、负载平衡以及进程通信设置和程序并行化处理,成功地对电大尺寸飞翼外形进行了L波段双站电磁散射场和雷达截面(RCS)计算。结果表明pmbRCS3d这一并行高精度电磁散射模拟软件具有稳定和鲁棒特性,适合进一步应用于目标更高频段电磁散射计算。     

燃气透平叶型气动与传热的优化设计

建立了一个透平叶型气动与传热优化的两步模型.第1步采用解析多项式曲线构造叶片的参数化造型,基于CFD数值模拟,通过正交设计和敏感性分析,优选几何设计参数.第2步采用贝塞尔(Bezier)曲线参数化叶型型线,以总压损失和表面热流加权函数为优化目标,调整叶型型线,获得了气动性能与热负荷较优的叶型.设计案例的结果表明:增加安装角可以降低叶片压力面热负荷;增大叶片前缘直径可以降低前缘滞止点热负荷.调整叶型的表面曲率分布,有可能推迟吸力面的转捩,弱化叶片表面的传热.两步优化法计算量小,收敛性好,具有工程应用价值.      

基于RANS方法的民用飞机网格分析

基于RANS方程分别对代表民机巡航的DLR—F6模型和增升的NASATRAPWING模型进行多块结构化网格生成技术研究,通过网格拓扑、分布、质量参数等多项研究,得到影响民机外流场粘性计算需要的网格生成因子,形成一套适用高精度阻力预测的民机CFD网格生成指南。同时,为验证网格设计方法的可靠性及准确性,分析了不同网格生成准则对于CFD计算模拟精准度的影响,为民机计算策略研究及气动力设计提供了参考依据,具有重要的工程实用价值。     

直达与非直达环境中的多目标解耦直接定位方法

针对直达（LOS）与非直达（NLOS）环境中的定位问题,提出了一种波形已知条件下的单阵地多目标直接定位（DPD）算法。该算法针对发射时间已知和未知两种情况,利用多径信号到达角度与时延关于障碍物（或反射体）、观测站与目标位置参数的数学关系,建立了三维目标位置的最大似然（ML）函数,无需估计测量参数,避免了传统两步定位方法所需的非直达径识别与数据关联。为了克服多目标定位中的高维非线性优化问题,该算法利用独立波形信息将多目标定位解耦为对各个目标单独求解。通过对目标函数有效近似,算法在发射时间已知和未知两种情况下均仅需三维网格搜索,比相应的两步定位方法具有更低的计算量。此外,基于多径定位场景,推导了发射时间已知和未知两种情况下的位置估计克拉美罗界（CRB）。仿真结果表明：算法的定位性能能够逼近相应的克拉美罗界,比传统两步定位方法和子空间直接定位算法具有更高的定位精度。     

基于代理模型方法的翼型优化设计

提出了基于代理模型的两步优化方法,用于翼型在黏性流场中气动外形的优化设计.第一步优化使用基于代理模型的遗传算法(GA)获得全局最优解的大致范围.以本征正交分解(POD)方法作为第一步优化中气动力计算的代理模型方法,降低遗传算法的计算量,并对其采样解的生成方法进行改进,提高了计算精度;第二步优化使用基于NavierSto...     

基于图剖分的多块结构网格负载平衡方法

负载平衡是影响并行计算性能的重要因素。针对多块结构网格,给出了一种改进的多层次图剖分负载平衡方法。该方法设计了新的网格剖分算法,采用改进的子块分裂方法与图剖分算法的循环调用实现结构对接网格剖分,并通过建立不同物体重叠网格间的连接关系,实现了结构重叠网格的负载平衡。采用2个典型算例对方法进行了对比验证,数值结果表明,子块分裂方法对剖分结果具有重要影响,采用循环调用算法及改进的子块分裂方法能有效地实现计算负载均衡及通信量优化,同时显著减少了网格块数及因虚网格导致的内存需求,有利于提高并行效率。该负载平衡方法与网格拓扑无关,适用于多块结构对接网格及重叠网格,且整体型剖分方式对于多块结构重叠网格具有更好的剖分效果。     

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。     

多块并行计算中负载平衡策略及时间成本估算方法

研究了三维Euler方程的全隐式无分裂方法的多块分布式并行算法.为提高并行效率,给出了一种负载平衡方法,负载平衡前后的墙上时间、并行效率的比较验证了该方法的有效性.针对研究所用的大型并行机特性,基于最小二乘原理,给出了一种估算计算时间成本和通讯时间成本的方法,并行算法的并行性能统计表明该估算方法的有效性及合理性.不同流场的数值模拟表明,多处理器并行计算得到的数值结果能够和单处理器上的串行结果保持一致.     

NASA共同研究模型翼身组合体数值模拟研究

采用结构网格求解器WiseManPlus软件,对DPW5提供的NASA共同研究模型CRM翼身组合体构型进行数值模拟研究.采用雷诺平均N-S方程,选择SA一方程湍流模型和SST两方程湍流模型,开展了网格收敛性分析及抖振分析计算研究,评估了该软件对此类民机构型的阻力预测能力.按照DPW5的要求,采用会议统一提供的基准结构网格进行计算分析,研究结果表明,计算的巡航设计点的阻力及大攻角下的气动力系数与试验值吻合较好,达到会议统计分析平均水平.计算结果表明,所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件计算精度较高,适用于大型民机高速巡航及抖振现象的数值模拟研究.     

水陆两栖飞机静力试验优化机翼变形的载荷配平

水陆两栖飞机全机静力试验的浮筒着水工况试验中，在试验允许的常规载荷配平方案下，压向大量级水载荷作用于浮筒结构引起机翼较大变形，影响试验精度，因此进行以减少机翼变形为目标的载荷配平研究。将机翼近似为悬臂梁结构，在构建的机翼力学模型基础上应用Green函数建立机翼的挠度曲线方程。首次以考核区域边界肋的挠度和转角为优化目标并建立多目标函数，通过层次分析法和极差变换标准化处理方法将其转化为单目标函数后，采用引入交叉和变异因子的改进蚁群算法进行载荷配平方案优化运算。有限元分析及试验结果显示，优化得到的载荷配平方案可以显著地减少机翼变形，配平载荷不影响考核区域的真实变形，证明了该优化方案的正确性和可行性。     

混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。     

基于分层策略的翼型多参量气动优化设计研究

与基于梯度的优化方法相比,遗传算法因其极强的鲁棒性、随机搜索及优化结果全局性等特点在工程优化中得到越来越广泛的应用。为提高优化设计的效率,改进了传统的遗传算法,采用并行分层策略基因遗传算法开展了翼型多参量气动优化设计研究,包括翼型和多段翼型的基因编码、外形参数化,以及动网格技术。结果表明,并行分层策略在得到较优气动优化结果的同时,极大地缩短了优化时间,提高了计算效率,具有广阔的工程应用前景。     

基于CFD的静气动弹性优化设计方法

以三维Navier-Stokes方程为控制方程,数值计算弹性机翼跨音速气动力,耦合结构静平衡方程,研究弹性机翼的静气动弹性变形和真实载荷分布,并在此基础上,对机翼的型架外形进行基于静气动弹性的多学科的优化设计(MDO),以及对机翼进行基于总升力不变的飞行姿态确定,以满足弹性机翼在飞行时的品质设计要求.以某后掠机翼为例,设计结果达到预期目标.     

基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

为开展非线性气动弹性研究,基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器,开发了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序.该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形.为提高RBF方法的效率,构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法.在多次插值过程中,每次插值的对象为上次插值的误差,并同时限制插值区域,以此实现了空间待插值网格数的精简.数个网格变形的算例表明该方法可支持大变形运动,并且具有较高的计算效率.采用此程序开展了AGARD 445.6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真,结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时,结构非线性对于气动弹性有显著影响.