三维非结构混合网格生成与N-S方程求解

 提出了一套较为通用的, 完全自动化的非结构混合网格生成方法, 在物面粘性作用区, 运用一种改进的推进层方法生成三棱柱形和金字塔形网格; 在其他流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格。采用一种改进精度的格心有限体积法和Spalart-Allmaras 一方程湍流模型对三维N-S 方程进行了求解, 并以M6 机翼、DLR-F4 翼身组合体和某运输机外形的粘性流场作为数值算例, 验证了上述网格生成和流场求解方法的正确性和实用性。     

机翼-机身-短舱-挂架外形气动优化设计方法

采用基于径向基函数的无限插值方法进行了复杂外形的动网格生成,并针对其存在的可能导致壁面附近出现负体积与网格质量下降的问题,提出对不与物面直接相连的边的位移采用径向基函数插值,对与物面相连的边的位移进行线性插值获得位移量的方法解决该问题.采用无限插值方法建立了一种简单有效的物面相贯线处理方法.利用离散共轭方法计算目标函数梯度,对DLR-F6 机翼-机身-短舱-挂架外形的机翼和短舱进行了几何外形参数化与气动外形优化设计.结果表明:考虑短舱安装方式的优化设计较不考虑短舱安装方式的优化设计可降低大约0.0001的阻力系数.通过全机优化设计,将全机阻力系数降低了0.00153.      

一种基于约束框架的棱柱网格生成方法

提出了一种基于约束框架的棱柱网格生成方法,即利用物面网格节点与背景结构框架网格之间的单一映射关系线性插值生成棱柱网格。背景结构框架网格基于TFI方法生成。物面网格节点与背景框架网格之间的映射关系通过一种线性投影方法建立。然后通过V型槽、圆球、M6机翼和F6翼身组合体四种不同外形对该棱柱网格生成方法进行了测试,测试结果表明该方法能够避免棱柱网格生成中的网格交叉现象,保证棱柱网格的成功生成。该方法在棱柱网格质量控制、棱柱网格局部修改等方面具有较好的效率和优势,但背景框架网格的生成依然是该方法的一个瓶颈,需要进一步的研究。     

一种适用于飞行器复杂外形的表面与空间网格生成方法

本文通过建立反映机身横截面外形特征的控制点概念，及在控制点间分配网格点数方式，给出了一种非常实用、交互式的表面网格生成方法，所生成的网格失真度小，物体保形好，生成适用于CFD计算需要的表面网络花费的时间少，适用性强。基于无限插值理论，引入本文提出的网格正交控制、物面法向量控制、加权平均光顺措施，给出了一种改进的空间网格生成方法，有效克服了传统无限插值网格生成方法在复杂外形网格生成方面的缺陷，有效改善了网格的法向疏密性、贴体性及周向网格的均匀性，对真实飞行器部件网格生成非常迅速。以某飞行器复杂机身表面与空间网格生成，及无人机翼身组合体空间网格生成为例，检验了本文网格生成方法的实用性和有效性。     

基于“各向异性”四面体网格聚合的复杂外形混合网格生成方法

复杂外形粘性流动的计算网格生成一直是阻碍CFD实际工程应用的瓶颈问题之一,虽然三棱柱/四面体混合网格的出现极大地缓解了这一问题,但是在飞行器几何外形非常复杂的情况下,在粘性边界层内生成高质量的贴体三棱柱网格仍然是非常困难的事情。本文从"各向异性"四面体网格的生成算法中得到启示,发展了一种基于"各向异性"四面体网格聚合的混合网格生成方法。通过对DLR-F6翼身组合体和F16战斗机外形的混合网格生成及数值模拟表明,该方法生成的混合网格具有网格质量好、自动化程度高等特点,对提高复杂外形飞行器关键气动参数的模拟精度具有重要意义。     

三维自适应非结构网格的Euler方程解

 将 Ausm+ 迎风格式应用于三维非结构网格中求解 Euler方程。对单元变量进行重构以获得空间高阶精度,对时间域采用多步龙格库塔法推进,并采用了当地时间步长和隐式残差光顺技术来加速收敛。采用多点择优推进阵面法生成复杂曲面的三角形网格,利用推进阵面法生成四面体网格。采用网格自适应技术对网格进行局部加密,以减少总体网格数目,从而提高计算效率。最后给出了绕 ONERA M6机翼的跨音速流动及绕麻雀 导弹的超音速流动算例,结果表明了本方法的有效性。     

基于径向基函数改进的Delaunay图映射动网格方法

为了提高大变形下动网格生成的效率和质量,基于径向基函数插值技术对原始Delaunay图映射动网格方法进行了改进。首先通过带多项式的径向基函数插值方法计算出背景网格远场边界点的位移;然后将背景网格位移插值到计算网格;最后利用衰减函数将计算网格远场位移衰减为零。基于矩形旋转网格变形实例比较了改进方法与原始Delaunay图映射动网格方法之间的差别,并研究了径向基基点数目和衰减函数类型对变形网格质量的影响。矩形旋转网格变形实例说明该方法能够精确恢复出Delaunay背景网格的旋转特性。NACA 0012翼型、NLR 7301两段翼和M6机翼网格变形算例进一步证明,通过添加控制点,该方法能够不重构背景网格实现大变形下高质量动网格的生成。     

NURBS曲面在气动外形变形中的应用

针对翼吊布局飞机复杂气动外形,建立了基于样条(NURBS,非均匀有理B样条)曲面和曲面叠加技术的曲面变形方法。在对样条曲线性质分析的基础上,以DLR-F6飞机为实例,对其机翼翼根、短舱挂架局部进行曲面网格变形,结果表明该方法能有效表述其复杂几何外形及型面变化特性,并且具有较好的局域性、可控性和光滑性。该方法可有效应用于吊舱挂架等复杂气动外形的建模、表面网格变形及气动外形优化设计等。     

多面体网格在CFD中的应用

介绍了多面体网格技术在计算流体力学(CFD)中的应用.考虑到粘性计算的需要,将混合网格技术引入多面体网格中,发展了一套多面体网格生成及求解技术,并用于M6机翼、DLR-F6复杂外形的气动特性模拟中.计算结果表明,多面体网格技术具有准确度较高、效率较高及适用性广等优点.     

运输机组合体绕流非结构混合网格N-S方程数值模拟

本文利用通用网格生成软件生成运输类飞机翼身组合体（DLR-F6）非结构混合网格，在边界附面层区域内，生成三棱柱形网格，在其他流动区域采用四面体网格进行填充。粘性流场求解器采用基于N-S方程的CFX5计算流体软件求解，通过计算结果与风洞试验所得到的数据对比分析，验证了网格生成方法及网格数据的正确性和实用性。本文研究结果也为运输类飞机高速风洞试验提供了对比数据。     

翼/短舱/吊架气动特性及其动力影响数值研究

应用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对DLR-F6模型分别在通流及动力条件下翼/短舱/吊架(W-N-P)组合体部分的气动干扰特性进行研究.结果表明:组合体相互干扰引起的干扰通道附增激波及短舱后部逆压导致的涡流增加了短舱外罩阻力,降低了机翼升力;动力条件较通流条件,F6短舱外罩阻力降低,机翼升阻力特性在零度攻角时有所提高.      

后掠机翼人工转捩最佳粗糙带高度数值预测

介绍了基于当地变量的γ-Re_θ转捩模型,并将该模型应用到后掠机翼的转捩预测和人工转捩最佳粗糙带高度以及人工转捩技术能够模拟的大气飞行雷诺数的确定中。为检验γ-Re_θ转捩模型对后掠机翼转捩的预测能力,对ONERA M6机翼和DLR-F4标模机翼进行了边界层转捩预测,采用结构化网格和有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,得到了机翼表面的摩擦阻力系数分布,从而可以得到相应的转捩位置,预测得到的转捩位置与试验结果比较吻合,说明该模型对后掠机翼转捩预测是可信的。最后在DLR-F4标模机翼上表面固定了粗糙带,通过相同的方法得到了转捩位置,从而确定了马赫数为0.785、雷诺数为3.0×10⁶时最佳粗糙带高度为0.11 mm;通过不断增大雷诺数使自由转捩位置不断向前缘移动,验证了人工转捩对大气飞行雷诺数的模拟能力。结果表明,在最佳粗糙带高度为0.11 mm下,可以实现对大气飞行高雷诺数的模拟。     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟研究。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型的能力。采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动特性、压力分布、表面流态等方面研究了网格密度对DLR-F6翼身组合体气动特性的影响;采用中等网格开展了来流迎角对气动特性的影响研究。通过与试验数据、CFL3D软件和TRIP软件计算结果的对比,表明网格密度主要影响激波位置和压差阻力系数,同时对翼身结合部分离区大小有一定影响;采用高阶精度计算方法显著提高了气动力系数的模拟精度,力矩系数数值模拟结果与试验的差异有待进一步分析。     

Definition of Wingtip Devices Shape and Dimensions for a Subsonic Airliner

The results of flow field numerical simulation on the typical wing-body prototype of the modern DLR-F4 airliner under sub- and transonic compressible air flow are presented. Using the DLR-F4 CAD model, the effect of the wingtip end plate area and of the cant angle of a typical Whitcomb winglet is studied. The dependencies of the model lift-to-drag ratio increment on the flat wingtip end plate relative area and on the cant angle of an airfoil Whitcomb winglet are obtained. The concept of an elliptic winglet with a variable cant angle that similar to the winglet used on Airbus A350 is studied. A technique is developed for solving the multi-parameter design optimization task for the Whitcomb winglet, taking the maximum lift-to-drag ratio of the wing as a criterion for optimization.     

DLR-F6/FX2B翼身组合体构型高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6和DLR-F6_FX2B 2种翼身组合体构型的高阶精度数值模拟,计算外形来自AIAA第三届阻力预测研讨会。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型和预测局部构型变化引起的气动特性变化量的能力。在固定升力系数条件下,采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动力系数、压力系数分布、表面流态等方面研究了网格规模对DLR-F6和DLR-F6_FX2B翼身组合体数值模拟结果的影响;采用中等网格开展了来流迎角对2种翼身组合体气动特性的影响研究。通过与National Transonic Facility(NTF)的试验结果和CFL3D的计算结果对比,表明采用高阶精度计算方法得到了网格收敛的数值模拟结果,较好地模拟了DLR-F6翼身组合体局部修型引起的微小气动特性变化和翼身结合部流动特性的差异。     

基于边界层相似性解的放大因子输运模型

为了使二维线性稳定性理论能够适应现代CFD求解技术,通过求解Falkner-Skan边界层相似性方程获得各个形状因子下的相似速度型。基于线性稳定性理论,对各个速度型进行稳定性分析从而获得对应不同速度型的扰动放大因子包络线。最后使用标量输运方程的形式实现包络近似方法中放大因子的当地化求解,并结合原始γ-Re_θt转捩模型中的间歇因子输运方程,实现了自然转捩和分离泡转捩的建模。使用该输运模型对S&K平板、S809翼型、NLR7301翼型和DLR-F5机翼进行转捩预测,结果均与试验结果吻合较好,验证了该模型构建的合理性和可行性。     

基于非结构网格流场计算的网格重排序

提出基于非结构网格流场计算时的网格重排序,优化了网格信息在内存中的存贮位置,使得计算过程中调用数据的处理速度加快,有效提高了计算效率。以M6机翼及DLR-F4翼身组合体的跨音速无粘流场为算例,分别通过显式四步龙格-库塔推进格式和隐式LU-SGS推进格式来验证网格重排序后对计算效率的提高作用。原始网格均用Delaunay方法生长,并分别使用了两种重排序方法进行比较。计算结果表明:重排序后的计算效率可以提高到未排序时的3到5倍,很具实用价值。