基于预处理的低速小展弦比机翼数值模拟

以雷诺平均的Navier-Stokes 方程为基础, 应用非结构混合网格技术,基于有限体积的时间推进预处理方法,对小展弦比机翼的低速流动进行了数值模拟.其中对流项的离散应用了基于Roe的Riemann近似解迎风格式,时间离散应用了基于LU-SGS的隐式格式.为描述湍流流动,采用了Spalart-Allmaras一方程湍流模型.为了验证本文方法对低速小展弦比机翼粘性流动的数值分析效果, 对几个不同展弦比的机翼进行了数值模拟.本文的数值结果与文献的实验数据基本一致, 表明本文方法能够准确模拟小展弦比机翼在低速流动时机翼的展弦比对其气动特性的影响.     

翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

旋翼非定常气动载荷及瞬态气动响应计算

建立了一个用于定常和机动飞行状态下旋翼非定常气动特性计算的数值方法。该方法在时间步进自由尾迹方法的基础上,采用4阶精度的Adams-Bashforth-Moulton预测校正多步法对离散的旋翼尾迹进行求解,耦合了桨叶挥舞运动模型、旋翼配平模型,并采用Beddoes非定常气动模型来模拟桨叶的压缩、气流分离效应。应用该方法,开展了不同状态下旋翼非定常载荷及总距突增时的旋翼瞬态气动响应的计算,并结合试验结果进行了对比分析。结果表明,本文建立的方法不仅可以准确地求解定常飞行时旋翼的非定常气动载荷,捕捉其沿方位角的变化特征,并且也可以准确模拟总距突增时,旋翼的过冲、迟滞等瞬态气动响应过程。     

基于嵌套网格技术和多种空间离散格式的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler/N-S方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型.在空间离散方法上分别采用Jameson中心差分格式、Van Leer矢通量分裂格式、AUSM格式3种方法,同时加入了Van Albada限制器,并应用了嵌套网格方法.文中采用Hole-Map方法来确定洞边界,采用Inverse-Map方法来搜寻贡献单元.最后给出了旋翼桨叶表面压力分布的计算结果,并与实验数据进行了对比,证明以上3种空间离散格式在旋翼流场计算中的准确性.     

翼型动态失速气动力二次峰值数值模拟研究

为揭示翼型动态失速状态下气动力二次峰值的发生机理,基于运动嵌套网格技术、有限体积方法、LU?SGS隐式格式和Roe?MUSCL格式建立了俯仰振荡翼型非定常流场的数值模拟方法.首先,基于所建立的数值方法对NACA0012翼型在深度动态失速状态下的气动特性进行模拟,计算结果与试验数据吻合良好,验证了数值模拟方法的准确性.然...     

霜状结冰及其对机翼气动特性影响的数值模拟

在霜状冰结冰过程及结冰对机翼气动特性影响的数值模拟中,基于壁面函数法引入了粗糙度影响,结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,文中以NACA0012为对象进行了霜状冰结冰过程的数值模拟,并把计算得到的冰形与试验数据及国外的结冰预测软件的结果进行了对比.本文同时考察了结冰对机翼气动特性的影响,结果表明结冰后最大升力系数降低了26%,失速攻角降低了3°,并且阻力系数也有了增加.     

非结构网格的高超声速粘性MHD流场数值模拟

应用数值方法在非结构网格上对磁场干扰下的二维高超声速钝头体粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为N-S方程耦合Maxwell方程的粘性MHD方程组,空间离散采用有限体积方法,对流项用AUSM格式计算,粘性项用中心格式求解,时间推进用显式5步Runge-Kutta格式,引用双曲型散度清除技术加强▽.B=0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,分别对有、无均匀磁场干扰下的流动进行了数值模拟。计算结果表明,在均匀磁场干扰下,激波脱体距离显著增加,物体表面压力急剧下降。对比表明文中发展的计算方法可以准确地进行二维粘性MHD流场的数值模拟。     

飞机背负任务系统后横侧气动特性及改进措施数值分析

采用数值模拟的方法分析了飞机背负任务系统后对横侧气动特性的影响,以及提出了平尾加端板的方式改善该情况下的横侧气动特性.在数值模拟过程中,控制方程为雷诺平均N-S方程,采用了基于非结构网格的有限体积方法.湍流模型采用了S-A方程模型.研究结果表明,飞机背负任务系统后会引起航向力矩系数在小侧滑角下变得较小而使得飞机出现横侧不稳定.为改善该类飞机的横侧特性,采用了平尾加端板的措施,数值结果表明,该措施能改善该类飞机的横侧不稳定性,使得飞机在背负任务系统后具有较好的横侧气动特性.     

基于CFD的直升机旋翼流场及气动力计算

建立了一个基于结构运动嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼流场,为更好地预测旋翼气动载荷提供一套计算方法.在该求解器中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上采用低数值耗散的Roe格式结合三阶逆风格式(Monotonic upwind scheme for conservation law,MUSCL),湍流模式采用了一方程的Spalart-Allmaras模型.应用所建立的方法,分别针对Caradonna模型旋翼、UH-60A直升机旋翼的悬停流场和7A旋翼、SA349/2直升机旋翼的前飞流场以及旋翼气动载荷进行了数值模拟.计算结果表明,本文的方法在一定程度上提高了对旋翼流场的模拟能力,进而提高了旋翼气动载荷的计算精度.     

弹射座椅系统外高速流场的数值模拟

对绕弹射座椅系统的高速流场进行了数值模拟.控制方程为雷诺平均的Navier-Stokes方程,空间离散为Osher逆风格式和五步龙格库塔格式,湍流模拟采用了基于M-SST两方程紊流模型的DES方法,计算中采用了区域分裂的并行技术.对来流马赫数分别为0.6,1.2的流场进行了计算,计算结果表明该方法可以较好地模拟弹射座椅系统外的高速流场.     

COMPUTATION OF UNSTEADY AERODYNAMIC FORCES ON WINGS WITH NAVIER-STOCKS EQUATIONS

INTRODUCTIONFor the requirement of instantaneity of un-steady flows,the minimal time step is needed,which leads to a requirement for a large numberof time steps.To an explicit method,it marchesvery slowly and many of the acceleration tech-niques used for steady flows cannot be used be-cause they destroy the time accuracy.The“dual-time” method allows an implicit discretisation tobe used in real time,but at each real time stepmarches the solution in a pseudo time to steadystate,through an …     

基于非确定性的翼型鲁棒反设计方法

实际的翼型是在一个非确定性的状态范围内工作的,为此应用鲁棒控制理论建立了翼型的鲁棒气动反设计方法及数值求解过程,基本的优化器为基于伴随方程的位流优化方法。对守恒型位流方程应用高效AF 2格式求解,对非守恒型的伴随方程采用了旋转差分和高效AF 3格式,提高了梯度计算的精度和效率。优化算例表明:本文方法所得到的翼型在一个较宽的工作状态范围内都具有良好的性能。     

Highly-Efficient Aerodynamic Optimal Design of Rotor Airfoil Using Viscous Adjoint Method

In order to overcome the efficiency problem of the conventional gradient-based optimal design method,a highly-efficient viscous adjoint-based RANS equations method is applied to the aerodynamic optimal design of hovering rotor airfoil.The C-shaped body-fitted mesh is firstly automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations,and the Navier-Stokes(N-S)equations combined with Spalart-Allmaras(S-A)one-equation turbulence model are used as the governing equations to acquire the reliable flowfield variables.Then,according to multi-constrained characteristics of the optimization of high lift/drag ratio for hovering rotor airfoil,its corresponding adjoint equations,boundary conditions and gradient expressions are newly derived.On these bases,two representative rotor airfoils,NACA0012 airfoil and SC1095 airfoil,are selected as numerical examples to optimize their synthesized aerodynamic characteristics about lift/drag ratio in hover,and better aerodynamic performance of optimal airfoils are obtained compared with the baseline.Furthermore,the new designed rotor with the optimized rotor airfoil has better hover aerodynamic characteristics compared with the baseline rotor.In contrast to the baseline airfoils optimized by the finite difference method,it is demonstrated that the adjoint optimal algorithm itself is practical and highly-efficient for the aerodynamic optimization of hover rotor airfoil.     

旋翼平行桨-涡干扰噪声的参数影响

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法.为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法.桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程.以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,验证了方法的有效性.在此基础上,分析了干扰距离、涡强、桨尖马赫数和涡旋转方向对桨-涡干扰噪声的影响,并得出结论:增大干扰距离可有效地降低桨-涡干扰噪声,当干扰距离大于数倍弦长时,噪声幅值与干扰距离的平方成反比;涡强仅改变噪声大小,对噪声的脉冲特性无影响;而桨尖马赫数对噪声幅值和方向都有影响,且噪声幅值与马赫数的7次方成正比.     

运输飞机非常态俯仰振荡分析

对某运输飞机在大襟翼偏度下的非常态俯仰振荡原因进行了分析。研究结果表明,该运输飞机在大襟翼偏度下飞行时因平尾受机翼的强下洗作用导致平尾下翼面发生局部分离,该分离未达到失速分离,从而引起飞机非常态的俯仰振荡。分离的主要原因是机身与平尾融合处抗流场逆压梯度能力下降,导致在大襟翼偏度飞行时出现局部分离,使得飞机出现纵向非常态俯仰振荡。该结论在风洞试验及该运输飞机试飞中得到验证。     

鸭式布局战斗机非常规机动的流场机理数值分析

以先进战斗机的非常规机动为对象,发展了一种适用于大幅度运动变化的非结构嵌套网格生成方法,建立了一整套非定常流场N-S方程数值求解方法。在对三角翼动态气动特性计算验证的基础上,模拟了飞机过失速机动条件下飞行姿态和来流速度的变化特征,对鸭式布局战斗机"眼镜蛇机动"的非定常涡结构、非定常气动力效应和气动特性进行了数值研究,揭示了鸭式布局战斗机"眼镜蛇机动"的非定常流场机理。     

飞翼无人机低速着陆状态抖振响应研究

基于RANS方程和SST湍流模型,采用飞翼无人机升力系数判据、俯仰力矩判据和表面极限流判据等对抖振始发迎角度进行了预测估计。基于较为详细的结构模型和气动模型,构造了结构与气动的耦合求解技术,同时采用弹簧近似光滑和局部重构组合方法对气动的动网格技术进行更新;然后分别在时频域内分析了飞翼无人机的抖振载荷响应。研究结果表明:基于CFD的RANS方程、SST湍流模型及各类判据预计刚性飞翼无人机在低速大迎角状态下的抖振始发迎角可以得到较为合理的结果;采用升力系数判据、俯仰力矩系数判据预测的抖振始发迎角与表面极限流判据预测的始发迎角相比要保守一些;而表面极限流判据方法能给出翼面气流流动的细节,采用此判据可以分析对比不同迎角下的翼面气流流动变化情况;与气动弹性及嗡鸣响应相比,抖振是一种强迫振动,其响应频率并不单一。     

共轴刚性旋翼悬停状态气动干扰机理

建立了一个基于Navier-Stokes(N-S)方程的共轴刚性旋翼气动干扰数值模拟方法。应用运动嵌套网格技术模拟双旋翼反转运动。通过与试验值对比,验证了方法的有效性。分析了共轴刚性旋翼悬停状态的气动性能和流场特征,结果表明,双旋翼气动干扰主要来自4个方面:双旋翼尾迹涡相互诱导引起"涡诱导效应",使上旋翼气动性能优于下旋翼;双旋翼周期性相遇-离开过程中桨叶附着涡干扰引起"载荷效应",对应拉力周期性升降波动;双旋翼相遇时"厚度效应"使双旋翼拉力产生相反的脉冲波动;上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起垂直"桨-涡干扰效应",使下旋翼桨叶展向拉力分布受到干扰。     

以风轮气动性能为目标的风力机翼型优化设计

提出了一种优化风力机翼型气动特性的设计方法。在现有风力机翼型的基础上,通过改变其最大厚度位置至后缘部分的外形进行优化计算。采用N-S方程计算翼型的流场及气动特性,以提高风力机切向力同时减小其法向力为目的,用二维线性插值的方法进行多目标优化。以DU 93W 210翼型为例,针对风力机翼型气动性能本身的矛盾性,根据实际需求提出几种方案加以优化。结果表明,在不同的性能需求下,本文所提出的设计方法能取得较好的效果。