一种三维弹性机翼气动优化新方法

基于控制理论方法和有限元分析软件,通过将网格生成、流场计算、有限元分析、粘性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,研究与发展了计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法,其中,雷诺平均Navier-Stokes方程为主控方程,气动载荷和结构静弹性变形量由气动/结构方程的耦合迭代求解得到,目标函数梯度信息由共轭方程数值求解得到。典型大展弦比机翼气动减阻设计结果表明：研究及发展的计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法是有效的,能够有效考虑静气动弹性的影响。     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D，开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例，对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证，以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性，提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定，基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序，为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换，并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则，简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录，实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配，将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外，对小型超声速公务机开展了声爆优化，对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

基于伴随算子的气动布局优化技术及其在大飞机机翼减阻中的应用

为了提高大型飞机机翼的气动性能,发展了基于Bezier-Bernstein曲线的机翼气动布局参数化技术和网格变形技术,以及基于Navier-Stokes方程的流场解算器、伴随算子解算器和二次规划寻优算法,形成了气动布局优化软件.通过改变约束条件、设计参数范围和初始点,对机翼进行了一系列的极多参数和多约束的气动布局精细优化设计,得到了良好的优化结果,优化结果表明该优化方法是高效和可靠的.      

湍流模型对压气机数值模拟精度的影响

开发了一个求解叶轮机全三维黏性流场的程序,采用了目前叶轮机数值模拟中常用的且模拟性能较好的三种湍流模型:k-ε模型,k-ω模型,Spalart-Allmaras(S-A)模型,计算了跨声压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37的流场,并与实验进行了性能参数、三维流场和角区流动的对比分析.考察在相同的数值计算平台上进行比较这几个湍流模型对压气机的数值模拟性能的影响.最终结果表明:对于具有强剪切、存在分离流的复杂的叶轮机三维流场来说,k-ω模型数值模拟精度更高,相比其他两个模型具有一定的优势.      

Evaluation of Turbulence Models in Predicting Hypersonic and Subsonic Base Flows Using Grid Adaptation Techniques

The flows behind the base of a generic rocket, at both hypersonic and subsonic flow conditions, are numerically studied. The main concerns are addressed to the evaluation of turbulence models and the using of grid adaptation techniques. The investiga- tion focuses on two configurations, related to hypersonic and subsonic experiments. The applicability tests of different turbulence models are conducted on the level of two-equation models calculating the steady state solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations. All used models, the original Wilcox k-ω, the Menter shear-stress transport (SST) and the explicit algebraic Reynolds stress model(EARSM) formulation, predict an asymmetric base flow in both cases caused by the support of the models. A comparison with preliminary experimental results indicates a preference for the SST and EARSM results over the results from the older k-ω model. Sensitivity studies show no significant influence of the grid topology or the location of the laminar to turbulent transition on the base flow field, but a strong influence of even small angles of attack is reported from the related experiments.     

实用S形进气道内部流动特性研究

根据ＹａｎｇＪＹ的思想构造了一种求解湍流ｋ－ε模型方程的有限差分格式—湍流Ｕ－格式。采用此种方法以及一种完全Ｎ－Ｓ方程解算器对变截面Ｓ形弯曲进气道内部旋涡湍流运动进行了研究,通过大量型号设计与计算证明了本套方法可以正确地描述流场中的分离、二次旋涡等重要物理现象。作为一种特例,本文给出了一种Ｓ形进气道内部流动的数值模拟结果,并与圆截面Ｓ形弯管的计算结果进行了定性比较。     

高效气动优化设计方法

基于CFD方法开展气动外形优化设计通常计算量较大,采用离散共轭方法计算目标函数梯度,建立了高效的飞机气动优化设计系统。采用NURBS方法对翼剖面几何外形的扰动量进行参数化,避免了对原始外形的拟合,建立了基于NURBS方法的机翼剖面参数化方法。在复杂外形的优化设计中,动网格方法是关键技术之一,采用无限插值方法生成变形后的网格,并提出采用无限插值方法处理部件之间相贯线发生变化的情况。最后开展了翼身组合体+吊舱+挂架等复杂外形的优化设计,成功地减小了阻力,证明了方法的有效性。     

基于三维非结构混合网格的离散伴随优化方法

伴随优化方法在优化过程中不受设计变量个数的限制,有巨大的工程应用前景。基于非结构混合网格技术,采用雷诺平均Navier-Stokes方程、离散伴随优化方法以及自由形面变形（FFD）技术,建立了飞行器气动外形优化设计系统。离散伴随方程采用公式推导的方法直接获取,并运用LU-SGS迭代求解。通过与差分结果进行比较的方式,对通量的雅可比矩阵和目标函数敏感导数开展了确认,并对文中黏性通量项、限制器以及湍流黏性系数的近似处理方法做了分析对比,验证了近似处理方法的合理性和可行性。采用建立的优化系统,完成了ONERA M6机翼在跨声速条件下的减阻优化,并比较了有无容积约束下优化结果的差别。模拟验证结果表明,建立的飞行器气动外形优化设计系统具有较高的可靠性和有效性,可以用于三维飞行器外形的减阻优化。     

TRIP2.0_SOLVER的开发与应用

本文介绍了“亚跨超CFD软件平台”2.0版本流场解算器部分(TRIP2.0_SOLVER)的开发工作和应用情况,重点是结构网格部分的开发工作,包括对接网格、拼接网格、重叠网格等多种网格拓扑结构。TRIP2.0_SOLVER采用有限体积法离散雷诺平均的N-S方程,数值模拟绕流飞行器的空间流场和飞行器的气动特性,本文从软件已经具备的基本功能,用户界面的开发、软件测试和和多种网格拓扑结构的应用等四个方面总结了亚跨超CFD软件平台流场解算器(TRIP2.0_SOLVER)的工作进展情况。     

基于N-S方程和离散共轭方法的气动设计方法研究

对于基于梯度信息的优化设计方法,很重要的一点是快速准确获得目标函数对设计变量的梯度.本文采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为N-S方程.对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法求解.算例表明,对于亚声速和跨声速两种情况,该方法都能快速准确地获得升力和阻力关于设计变量的梯度.本文采用该方法进行了翼型优化设计,成功地减弱了激波,降低了总阻力.算例证明了本文方法可靠性好、收敛快, 特别适合工程实际.     

三维非对称斜劈高速流动计算方法研究

交叉激波是高超声速进气道发展的关键气动问题之一。为实现对此类高速流动的准确数值模拟,基于RANS方程的自研多块结构网格计算软件,对经典三维非对称斜劈构型的斜激波交叉干扰流动特征开展了计算研究。通过对比分析,系统评估了计算网格、湍流模型及高精度格式对空间流场、底板摩擦力流线、压强分布、绝热壁温分布等的影响,获得了适用于三维非对称高速流动问题的网格生成准则和计算策略,同时验证了自研软件的模拟能力。     

跨音速三维多升力面气动设计

发展了一种跨音速多升力面的气动设计方法和设计程序,它基于已成功应用于亚、跨音速机翼设计和亚音速双翼面设计的"余量修正迭代"概念.当升力面上出现超音速区和激波时自动引用迎风格式对控制方程进行修正.开发了一系列接口程序,包括目标压力设计程序.由此气动设计程羊、TAU程序以及相应的接口程序建立了跨音速多升力面气动反设计软件系统.用两个鸭翼-机翼构型验证了设计方法和设计程序,结果表明在高跨音速下设计迭代有很好的收敛性.     

高负荷低压风扇三维气动设计与损失分析

在给定的限制条件下,通过从S2反问题计算出发,依靠在粗、细网格上求解三维黏性Navier-Stokes(N-S)方程的设计方法完成了某高负荷、跨声速低压风扇的气动设计.该设计方法抛弃了准三元设计对损失模型的依赖,较快的实现了跨声速风扇的气动设计.在设计结果的基础上,对风扇流场结构的分析表明,动叶顶部激波,以及激波、泄漏流和附面层的相互作用是风扇损失的主要来源.全三维的弯扭叶片设计实现了静叶的高亚声大折转角扩压流动.      

应用自由变形法的翼型几何外形参数化研究

对一种新的基于NURBS方法的自由变形参数化方法进行了研究,该方法继承了NURBS方法的优点并避免了其缺点。利用该方法对两副翼型分别进行了参数化和优化设计、反设计,流动控制方程为N-S方程,目标函数梯度计算方法采用了离散共轭方法。算例表明,自由变形参数化方法能够满足设计需要。     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式，并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合，发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率，将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计，一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

应用新型紊流模型对压气机叶栅通道紊流流场进行数值研究

采用３种紊流模型来封闭Ｎ－Ｓ方程,它们分别是标准的Ｋ－ε两方程模型;发展的隐式Ｋ－ε两方程模型和基于ＲＮＧ方法的紊流模型。与标准的Ｋ－ε两方程模型相比,发展的Ｋ－ε两方程模型通过在紊流耗散率方程中增加一项,来说明若干时间尺度,以提高对壁面附近流动的预测能力;基于ＲＮＧ方法的紊流模型在紊流耗散率方程中增加一项Ｒ,能较好地体现大剪切率所产生的强烈的各向异性效应及非平衡效应。应用３种紊流模型对三维压气机叶栅通道紊流流动进行数值分析,并与实验数据比较,结果表明,采用后两种紊流模型计算得到的值与实验数据更接近。     

S形进气道中心线方程构造及其影响的研究

为了拓展s形进气道中心线的选择范围,根据S形进气道的几何边界条件,提出一种基于多项式形式的中心线造型方法。依据不同的中心线拐点位置,采用该方法构造九条有代表性的中心线方程,并建立相应的s形进气道的几何造型。通过对不同几何造型进气道的三维N—s方程数值计算,得到s形进气道的总压恢复和DC10等性能指标,并通过分析发现S形进气道中心线拐点位置对这些性能指标的影响。结果表明：随着中心线拐点位置向后移动,总压恢复系数得到提高,但出口不均匀程度变坏。     

S弯管中可压三元紊流控制方程和数值计算

本文通过对瞬态N-S方程的质量加权平均处理,对不可压缩流的k-ε两方程紊流模型做了可压缩性的修正。用有限差分法进行了数值计算。计算结果与实验数据吻合很好,这预示着数值方法可能会发展成为研究S弯管中高亚音速三元流动的一种手段。     

使用GAO-YONG方程组对湍流边界层拟序结构特性的研究

与以往的湍流模型不同,GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次相对应,具备了描述湍流统计平均和拟序结构的双重功能。本文采用交错网格和SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,考察了GAO-YONG方程组中能量方程阶数以及计算网格对拟序结构的影响,证明了该方程在描述拟序结构方面具有一定的适定性。      

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。