微型扑翼低雷诺数绕流气动特性研究

针对微型扑翼所处典型飞行状态,数值模拟研究了微型扑翼绕流的低雷诺数气动特性.基于结构化嵌套网格求解了预处理后的三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,空间离散采用了中心格式有限体积法,非定常时间推进为双时间法.通过与文献低雷诺数扑翼的试验值对比验证了本文算法的有效性,接下来通过大量计算研究了关键气动参数和展向折叠扑动模式的影响规律.研究结果表明迎角、扭转角和折叠扑动对升力影响较大,扭转角和减缩频率对推力影响较大.本文的研究得到了微型扑翼气动力特性的机理性结论,有助于理解微型扑翼飞行原理,为设计微型扑翼提供了参考依据.     

高阶精度方法下的湍流生成项对低速流动数值模拟的影响研究

基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了SST两方程模型不同湍流生成项对低速流动数值模拟的计算分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR7301两段翼型和Trap Wing高升力构型,研究内容主要包括不同湍流生成项对收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布、气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于低速二维流动,不同湍流生成项对收敛历程有比较明显的影响,对附面层湍流粘性系数分布和速度型影响不明显,不同湍流生成项主要影响主翼前缘的吸力峰值,进而影响升力系数和压差阻力系统;对于低速三维流动,不同湍流生成项对低速流动的收敛特性影响不明显,对翼梢涡的模拟精度有比较明显的影响,进而影响翼梢站位的压力分布和总体气动特性。     

微型飞行器低雷诺数矩形扑翼非定常气动特性的数值模拟

采用双时间步方法求解三维可压缩非定常N-S方程,数值模拟了微型飞行器低雷诺数矩形扑翼的非定常绕流,首先将得到的结果与文献进行了对比,数据间具有较好的一致性.然后针对不同的展弦比、减缩频率及初始攻角,计算了矩形扑翼的非定常气动特性及表面流态和动态压力分布,并分析了翼尖涡对扑翼非定常气动特性的影响.     

基于CFD方法对微型扑翼翼型设计的研究

基于CFD方法从扑翼设计的角度出发对扑翼的外形进行深入的研究.使用基于广义无限插值理论的代数网格生成方法开发适合扑翼运动的三维结构N-S动网格,并应用有限体积法结合双时间推进技术求解预处理后的低速三维非定常N-S方程,完成了对低速扑翼绕流的数值模拟.通过与文献算例的比较验证了本文方法的可靠性和正确性.在此基础上,对文献[8]中介绍的一种混合翼型的相关参数变化对扑翼气动特性的影响开展了深入的研究.     

三维可压和不可压缩流动数值模拟的一种预处理多重网格方法研究(英文)

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

AUSM类格式在热流数值模拟中的比较研究

系统分析了AUSM类空间离散格式中AUSM+、AUSMDV及AUSMPW三种格式的构造方法及特点,并分别对钝锥、钝双锥的高超粘性绕流流场进行了数值模拟,重点分析了格式对热流数值模拟结果的影响.数值结果表明:AUSM类格式在高超音速流动模拟中具有高间断分辨率和数值稳定性,其中AUSM+和AUSMPW格式更适用于热流数值模拟,而AUSMDV格式可能会出现“红玉”现象.     

柔性扑翼全机气动结构耦合特性及稳定性研究

由于微型扑翼飞行器具有体积小、重量轻等特点,在飞行过程中会产生明显的柔性变形,因此在对扑翼气动特性进行数值模拟时,有必要考虑柔性变形的影响。基于结构动力学理论,发展了一种适用于扑翼全机气动结构耦合特性的数值模拟方法与一种适用于扑翼的结构动力学求解方法。方法利用哈密顿原理,对动能和应变能进行变分,进而得到扑翼动力学方程,采用结构有限元方法对运动方程进行离散并求解;采用基于嵌套网格的CFD求解器对微型扑翼全机非定常绕流进行数值模拟。采用CFD/CSD耦合求解器对微型扑翼飞行器全机气动结构耦合特性进行数值模拟,分析了结构变形对柔性扑翼气动特性的影响,并分别对扑动过程中刚性扑翼和柔性扑翼的压心变化范围进行研究,分析了结构变形对柔性扑翼稳定性的影响。     

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。     

A Preconditioned Multigrid Method for Efficient Simulation of Three-dimensional Compressible and Incompressible Flows

将矩阵预处理方法与多重网格方法结合,发展了适用于机翼及复杂外形气动数值优化设计的高效数值模拟方法和程序。在不改变定常流动解的前提下,对 Navier-Stokes 方程的时间导数项实施 Choi-Merkle 矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性。Choi-Merkle 预处理最初用于二维低马赫数粘性流动数值模拟,本文将其推广应用到计算三维流动,并针对提高跨音速流动计算收敛性进行了相应的改进。预处理后控制方程采用中心格式有限体积进行空间离散,Runge-Kutta 混合多步方法进行显式时间推进求解,并应用 FAS 多重网格方法加速收敛。采用所发展的方法和程序数值模拟了绕 M6 机翼和 M100 机翼的低速和跨音速流动(马赫数从0.01 到 0.839)以及绕 F4 翼身组合体流动。计算结果与实验值吻合良好,验证了所发展的方法的正确性。算例研究表明所发展方法较大幅度地提高了三维流动数值模拟的效率,且同时适用于可压和不可压流动计算,在机翼及复杂外形气动优化设计方法具有应用前景     

预处理方法在混合笛卡尔网格中的应用研究

使用基于混合笛卡尔网格的预处理方法,对低马赫数下的定常/非定常流动问题进行了数值模拟研究。网格生成中,在物面附近生成贴体结构网格,其余计算区域使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找"贡献单元"实现流场数据间的传递。同时,使用基于密度的预处理方法,发展了一套可求解从低速(极低马赫数)到常规马赫数的N-S方程求解器,时间离散使用隐式双时间步LU-SGS格式,空间离散使用具有二阶精度的格心格式有限体积方法。非定常流动问题的数值模拟过程中,使用逆距离插值来进行新现网格单元上流场参数确定。通过对NACA0012翼型在低马赫数下的定常绕流和动态失速问题的数值模拟研究表明:使用预处理方法能够加快低马赫数下数值计算的收敛速度和提高计算的准确性,基于混合笛卡尔网格的N-S方程求解器能够模拟包含运动边界的低速不可压非定常流动问题。耦合预处理技术的混合笛卡尔网格方法给包含低速和常规马赫数的复杂运动边界问题的求解提供了新的思路。     

非均匀栅距对轴流压气机流动影响的数值研究

本文进行了非均匀栅距叶片排的轴流式压气机流场数值研究,进口导叶采用了不同的非均匀栅距结构,探讨了不同工作状态下对压气机性能及动叶非定常气动力的影响。数值研究中采用LU-SGS隐式解法与双时间方法相结合,求解圆柱面二维流动的雷诺平均非定常N-S方程。数值研究的结果表明,进口导叶非均匀栅距结构对压气机气动性能影响不大,但对动叶表面受到的非定常气动力有一定影响。采用不同的非均匀栅距进口导流叶片排结构型式,动叶表面的非定常气动力的分布是不同的。不同工作状态下的计算结果显示,即使采用相同的非均匀栅距结构,非定常气动力的分布特性也是不相同的。     

神经网络在高空长航时无人机翼型多点优化中的应用

NSGAII算法在翼型多点设计中有着广泛的应用价值,然而其巨大的计算资源和计算成本限制了它的使用。为了解决这个问题,本文引入具有较强非线性映射能力的神经网络代理模型,采用实验设计结合BP法训练神经网络响应面来代替N-S方程求解翼型的性能。在实验点的数值模拟中,为了进一步节省计算资源,提高计算效率,采用网格的变形代替网格的重新划分,使得计算网格的更新速度提高了约50%。在翼型的参数化过程中,采用改进的PARSEC方法,用较少的参数实现了翼型的精确控制。为了增强神经网络的泛化能力,采用12-7-4-3-1的隐层结构。对NLF1015翼型的多点优化算例表明,此方法不仅显著降低了整个优化过程的计算量,而且对翼型的气动性能预测也具有较高的可信度,在高空长航时无人机的翼型设计中具有一定的潜力。     

轴对称喷气式飞机后体减阻优化设计

本文通过数值计算二维轴对称雷诺平均N-S方程,采用-ωSST模型对喷气飞机后体—尾喷管的内外场进行冷态数值模拟,运用遗传算法以后体阻力系数为设计目标,在飞行马赫数Ma∞=0.6的情况下,对后体外形进行优化设计。将计算结果与实验结果进行对比,验证了在特定后体外形条件下,喷流参数变化对飞机气动性能的影响。同时,计算结果也表明优化外形能够保证后体流动不发生分离,从而降低了后体阻力。     

一种高效的壁面距离计算方法

采用CFD(Computational Fluid Dynamic)技术进行湍流效应数值模拟时,经常需要计算流场网格点到最近壁面的距离。当网格规模很大,特别是针对一些动网格问题,壁面距离的计算量很大且费时,影响整个流场求解效率。本文对壁面距离计算的直接算法和基于二叉树技术的ADT(Alternating Digital Tree)快速算法进行了对比分析和研究,提出了一种高效的、基于方盒切割技术的快速计算方法,并采用不同外形的CFD计算网格对该方法进行了验证。计算结果表明,新方法的壁面距离计算效率明显高于直接算法和ADT算法,并具有较好的鲁棒性和通用性,可以便捷地移植到现有的CFD计算程序中,从而提高整个流场的数值计算效率。     

外吹式襟翼动力增升数值模拟方法研究

针对某运输机简化模型,采用数值模拟分析的方法开展了外吹式襟翼动力增升效能分析研究。本文首先对单独的发动机模型和不带动力装置的增升模型进行数值模拟,计算结果均与实验值吻合良好,表明动力增升效能分析所采用的边界条件处理方法、网格生成策略以及流场计算方法的合理性及适用性。在此基础上对动力增升构型在带发动机喷流效应和通气短舱的两种情况进行数值模拟与对比分析。结果显示其增升效果显著、流场结果合理。表明本文所形成的计算方法与技术思路可靠的、有效的,方法对大型运输机外吹式襟翼动力增升系统的设计分析具有一定的应用价值。     

气动力配平及配平损失计算方法研究

本文介绍了飞机气动力配平计算、重心转移俯仰力矩计算与气动配平损失计算的工程算法,并在此基础上进行改进:在计算配平气动力之前对原始风洞实验数据加以处理,得到多个定迎角变平尾偏角的数据文件。以某运输机为算例,分别使用直接风洞实验数据和处理后的风洞数据进行配平气动力和气动配平损失计算,对比两者的计算结果可以看出,本文改进的方法计算结果准确,具有一定的可行性。同时,使用MATLAB软件作为计算工具,提高了计算效率。     

弹性飞机动态飞行特性数值仿真系统

本文以弹性飞机为研究对象,将离散型阵风响应计算、弹性变形计算和飞机飞行动力学计算结合起来,开展了离散阵风作用下的弹性飞机飞行状态和飞行轨迹数值预测方法研究,并应用VC++和OpenGL语言开发了一套弹性飞机动态飞行特性的数值模拟系统,实现了弹性飞机阵风响应的数值仿真和可视化计算。数值仿真算例表明本文所采用的方法是可行的,本文所建立的仿真系统是可靠的。     

一种基于高阶剪切变形板模型的有限元算法

为了较好地模拟复合材料层合板的变形并得到较为精确的应力分布,本文基于Reddy提出的高阶剪切变形板模型建立了一种新型有限元。该模型保证横向剪应力沿板厚度方向呈抛物分布,在板的上下表面为零,从而很好地满足力边界条件。有限元算法构造的出发点是修正的虚功泛函,引入Lagrange乘子放松了挠度在单元边界之间的连续性,使得挠度的构造变得简单;由于通过常应力分片检查,所以有限元算法的收敛性得到了保证。此外,本算法的数值结果具有对单元网格形状不敏感、精度好和计算效率高的性质。     

高平尾布局飞机深失速特性及失速改出伞数值计算与分析

ARJ21飞机是我国自行研制的具有典型T尾布局特点的先进支线飞机。失速和失速特性试飞是ARJ21飞机适航取证试飞最重要的试飞项目之一。高平尾(T尾)布局飞机可能存在深失速运动模态,给飞机的失速特性试飞带来安全风险。本文首先分析了高平尾(T尾)布局飞机的空气动力学特点,剖析了"深失速"现象的产生原因,并在此基础上以ARJ21飞机为算例,结合具体的风洞实验数据库,应用工程估算的方法对动导数进行了补充完善,其次建立了适合预测飞机失速和深失速运动方程的空气动力学模型,并对飞机的运动特性特别是深失速特性进行了仿真计算,计算结果与实际试飞结果取得了较好的一致性;最后选择深失速状态作为失速改出伞设计的临界状态,建立失速改出伞的数学模型,对失速改出伞改出深失速的动态过程进行了仿真计算,验证了失速改出伞改出深失速的设计参数,为失速改出伞的研制提供了参考依据。     

涡轮机匣壁面换热特性的数值计算

为了研究涡轮机匣的换热特性,采用分段计算技术,各段连接为耦合连接,对某型涡轮机匣模型进行数值模拟,减小了计算复杂结构的难度,详细分析了机匣流动区域的流动特性和壁面的换热特性。结果表明:孔出流对壁面有很强的冲击作用,导致冲击区壁面换热系数很大;腔内气流流动情况复杂,具有复杂的漩涡结构;气流涡作用于壁面,增强壁面局部换热,换热系数增大;计算结果与实验结果吻合很好,定性地反映了机匣的流动和换热特性。