倾转过渡状态旋翼-机翼气动干扰特性

针对倾转旋翼机倾转过渡状态旋翼-机翼之间的气动干扰开展了高分辨率数值模拟。计算采用有限体积法对积分形式的非定常Navier-Stokes方程进行离散,使用重叠网格处理旋翼桨叶与机翼之间的相对运动。背景网格采用基于八叉树结构的笛卡尔结构化网格,并使用基于无量纲Q准则的网格自适应技术来获得高分辨率尾迹流场。首先,计算了孤立旋翼和旋翼-机翼组合体悬停状态,根据计算结果证明高分辨率求解器对于旋翼气动力预测的准确性和旋翼尾迹结构演化的高分辨率特性,对比了旋翼-机翼组合体悬停状态改进延迟分离涡模拟(IDDES)和RANS计算结果,IDDES所得流场更为精细且气动力结果与RANS结果也有所差异。随后,对倾转过渡状态不同倾转角下旋翼-机翼组合体飞行状态进行了仿真计算,得到并分析了旋翼与机翼之间气动干扰流场。结果表明,在倾转过渡状态中期旋翼产生诱导滑流对机翼有着一定的升力增益效果,而倾转初期与末期则无明显升力增益,初期甚至为负增益;旋翼与机翼气动变化情况证明倾转过渡状态旋翼-机翼气动干扰对倾转旋翼气动性能有着重要影响。     

舰船空气流场数值模拟方法研究

分离涡数值模拟方法(DES)在物面附近求解雷诺平均Navier-Stokes方程,在其他区域采用大涡模拟方法,兼具前者计算量小的优点和后者能模拟大分离湍流流动、计算精度高的优势。论文分别采用RANS和DES方法对舰船空气流场进行数值模拟,通过所得流场结果与实测数据的对比分析,说明DES方法对大分离流动具有更强的模拟能力,更加适用于舰船空气流场预报。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

DDES方法在复杂旋翼流场计算中的应用

应用延迟脱体涡模拟（DDES）方法,进行了复杂分离流动旋翼流场的数值模拟研究。为控制计算规模,更好地模拟旋翼桨叶近壁面附近区域流动分离及远场尾迹发展,采用了贴体与背景自适应直角网格嵌套的网格系统;同时为提高计算速度,采用了基于分布式存储的数据并行模式,实现了贡献单元搜索、洞切割和流场计算的并行化。计算工作包含一个共轴双旋翼悬停和单旋翼下降状态,目的是分别讨论DDES方法在旋翼表面附近空间区域是否存在大范围分离时计算结果与雷诺平均Navier-Stokes结果之间的差异。计算表明,对于下降状态,DDES方法预测出了更强的尾迹区分离流动;对于桨叶表面基本为附着流动的双旋翼中等桨距角情况,两种方法预测的流场结构相似,仅在下旋翼桨叶气动力和旋翼桨根下方空间区域的诱导速度计算结果上存在微细差异。     

悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

基于运动嵌套网格方法,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先,基于高效的运动嵌套网格技术,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型,时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上,对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析,揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后,进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明:上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞,导致下旋翼桨叶拉力损失;上旋翼桨叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰,改变了桨尖涡的强度和轨迹;上、下旋翼桨叶相互靠近时,上、下旋翼桨叶的拉力均会上升,之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。     

基于自适应重叠网格的三角翼跨声速流场计算

在自适应重叠网格系统下,数值求解非定常Navier-Stokes方程,开展了钝前缘三角翼跨声速流场的计算研究。目的在于考察交叠网格系统下,不同迎角的跨声速来流条件时流场细节的捕捉能力。其中,网格方面采用了贴体网格块精确描述机体外形,采用与之交叠的可自适应的直角网格捕捉脱体涡系的发展变化及涡与激波的干扰;求解涡黏性计算方面,采用了Spalart-Allmaras(SA)及其对应的Detached Eddy Simulation(DES)模型。基于以上描述的方法,针对钝前缘三角翼在来流马赫数0.85不同迎角状态进行了计算,比较了雷诺平均与DES计算的结果差异。计算结果表明,在重叠网格系统下,网格构建简便,适用性好,计算具备一定的数值精度;对于大迎角状态,DES方法能够有效地模拟脱体涡系的发展变化,获得更好的计算结果。     

一种改进的类DES湍流模拟方法

构造了一种基于一方程S-A(Spalart-Allmaras)模型和一方程Yoshizawa亚格子模型的混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)湍流模拟方法.在涡黏假设的基础上,将Yoshizawa亚格子湍动能方程转化为等效的亚格子湍流涡黏性输运方程,并采用混合函数将其与S-A模型方程进行混合,从而改进了DES(detached eddy simulation)模型的亚格子行为,同时克服了其依靠网格控制模型转换的缺点.模拟了超声速的带斜坡凹腔流动,并与相同网格下的LES及DES结果进行了比较,结果表明该混合RANS/LES方法在远离壁面的自由剪切流区域与LES行为一致,而在附着边界层区域表现优于LES和DES方法.      

细长旋成体背风面非对称流场的DES模拟

利用脱体涡模拟DES方法对细长旋成体非对称绕流进行数值模拟,比较了基于S-A湍流模型的DES与RANS方法对背风面非对称分离涡的数值模拟能力,发现在大迎角非对称涡未破裂情况下,DES与RANS均能模拟出与实验相符的非对称绕流;当迎角增大,背风面非对称涡发生破裂时,RANS无法准确捕捉到背风面流场的非定常性,而DES能准确预测非对称涡的飘起与破裂,并与实验值接近。计算结果表明:与RANS方法相比,DES方法具有更好的模拟大攻角,大分离流动的能力,尤其在非对称流场的分离涡破裂模拟方面具有明显优势,能够更真实模拟出细长旋成体背风面分离涡破裂之后的非定常流动特征。     

先进直升机旋翼悬停状态气动性能计算

 为更好地模拟先进直升机旋翼流场,同时准确计算其悬停状态的气动性能,建立了一套基于Navier-Stokes/Euler方程的混合CFD方法。该方法的求解域由两部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的黏性区域,采用可压缩Navier-Stokes方程来模拟旋翼附近的黏性流动和近场尾涡的捕捉;二是离桨叶较远、黏性可以忽略的远场区域,用Euler方程来描述其流动。在该方法中,将三阶逆风格式（MUSCL）与通量差分分裂方法相结合,无需添加人工黏性,因而可有效地减少旋翼尾迹数值耗散。?阌诹鞒》智蠼庖约爸芷谛员呓缣跫氖凳?采用了嵌套网格方法,并给出旋翼网格与背景网格交界面的信息传递方式。应用所建立的计算方法,首先对二维翼型、三维M6机翼的流场进行了数值模拟,以验证计算方法;然后,着重计算了有实验结果可供对比的具有先进气动外形的HELISHAPE 7A模型旋翼和UH-60A直升机旋翼,通过计算得到旋翼表面压力分布、桨叶展向拉力系数分布、桨叶表面细节流动以及气动性能等,进一步验证了该方法的有效性。     

部分平均Navier-Stokes方法模拟超声速斜面空腔流动

采用部分平均Navier-Stokes (PANS)方法对超声速斜面空腔流动进行了数值模拟研究,评估其对于超声速非定常湍流模拟的性能,并与雷诺平均N-S(RANS),脱体涡模拟(DES)的计算结果及实验数据进行对比.研究表明:模化湍动能比例全场可变的PANS方法预测的速度、壁面压力和摩擦力系数分布与DES的结果非常接近,都与实验值吻合得较好,优于RANS的计算结果;非定常雷诺平均N-S(URANS)计算的自由剪切层近乎为二维稳态的,而DES和PANS方法可以求解出更为丰富的流动结构;模化湍动能比例全场统一的PANS方法虽然可以求解出相比RANS更多尺度的流动结构,但在近壁区不能回归到RANS模型,预测的湍流边界层的速度型偏离对数律,后续的流动计算也偏离实验数据.      

用DES数值模拟具有横向喷流的紊流流场

DES(DettachedEddySimulation)是把RANS(雷诺平均Navier Stokes方程)方法及LES(大涡模拟)方法结合起来的模拟有脱体涡的紊流流场的数值模拟方法。其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文用DES及混合非结构网格数值模拟复杂紊流流场,算法采用Osher逆风格式,对超音速钝头体、三角翼、某型飞机及带喷流的导弹绕流用该程序进行了数值模拟。结果表明用DES模拟有分离的紊流流场是高效的。     

悬停状态倾转旋翼机非定常气动干扰研究

悬停状态旋翼/机翼机身干扰流场的高精度数值模拟对准确预估倾转旋翼飞行器气动性能具有十分重要的意义,开展该干扰流场的高精度数值模拟一直是直升机空气动力学领域的研究热点和难点之一。本文基于运动嵌套网格技术,建立一套适用于倾转旋翼非定常流场的CFD方法。采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为主控方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型,时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式。在此基础上,首先开展某新型倾转旋翼无人机的旋翼/机翼机身非定常干扰流场数值模拟研究,得到了与文献相符的“喷泉效应”现象,计算结果显示干扰作用使总拉力损失16.6%。然后着重研究了不同襟副翼预置角对降低悬停状态下旋翼/机翼机身气动干扰作用的影响,研究结果显示45°襟副翼预置角效果最佳,使全机总拉力损失从原来的16.6%降到13.8%。     

基于隐式算法的悬停旋翼粘性绕流高效CFD分析方法

为显著提高旋翼粘性绕流CFD模拟效率,建立了一套高效的基于隐式LU-SGS算法和OpenMP并行策略的旋翼悬停流场求解方法。首先,求解Poisson方程生成桨叶剖面翼型的贴体正交网格,并通过剖面网格插值、翻折方法生成桨叶C-O型贴体网格;在此基础上,采用基于"扰动衍射"挖洞方法与"Inverse map"相结合的洞边界划定与贡献单元搜索方法,解决了嵌套网格技术中的相关瓶颈问题。然后,以非惯性系下耦合S-A湍流模型的RANS方程为流场主控方程,对流通量采用三阶Roe-MUSCL格式进行离散,时间推进采用高效的隐式LU-SGS方法,同时采用基于数据共享的OpenMP并行策略加速流场求解。最后,运用所建立的方法分别对不同旋翼翼型和悬停状态"Caradonna-Tung"以及UH-60A旋翼的流场及气动特性进行了计算,并给出了根据涡核位置加密网格来提高桨尖涡捕捉精度的方法,同时将计算结果与试验值进行了对比,验证了该方法在旋翼CFD流场模拟中的高效性和高精度特征。     

分离涡模拟方法在内埋弹舱机弹分离模拟中的应用

为了研究内埋弹舱非定常流场对武器投放分离特性的影响,基于分离涡模拟（DES）方法和非结构重叠网格技术,建立了内埋武器机弹分离高精度数值模拟方法。在此基础上,首先通过典型空腔流动和机弹分离算例验证了数值方法的有效性,然后采用平均雷诺应力模拟（RANS）和DES两种方法探究了机弹分离过程中弹舱腔内涡结构的演化历程,分析了两种方法在机弹分离流场结构模拟中的差异,研究了内埋弹舱流场结构对导弹分离特性的影响。计算结果表明：机弹分离过程中,高强度涡结构逐渐向弹舱腔体后缘聚集,同时弹舱剪切层流动结构被导弹破坏,导弹出弹舱阶段俯仰方向所受气动力矩急剧变化。相比RANS方法,DES方法捕捉到的高强度小尺度涡结构对导弹压力分布影响较大,使得分离后期导弹俯仰角、俯仰角速度产生明显差异,DES方法更适合内埋武器舱分离特性精细化研究。该研究结果可为内埋武器机弹分离研究的计算方法选择和安全分离策略提供一定的参考依据。     

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.      

旋转机翼悬停气动特性研究

鸭式旋转机翼(CRW)是一种先进的高速直升机方案,旋翼同时也是机翼,是其最关键气动部件之一。采用结构分区拼接网格技术进行空间离散,分区建立参考系,通过求解多重参考系下的N-S方程来计算旋翼流场,首先以传统的Caradonna-Tung实验旋翼的亚、跨声速悬停流场分析为例验证该方法的可靠性,进而采用该方法对旋转机翼悬停流场进行了数值计算,旋翼拉力计算值和地面实验值吻合较好,结果分析表明旋转机翼的悬停流场有着不同于传统旋翼的流场特性。     

基于分离涡模拟的起落架气动噪声研究

用基于SA湍流模式的非定常RANS、分离涡模拟(DES)和延迟分离涡模拟(DDES)分别对四轮基本起落架模型进行了数值模拟,并根据所得的非定常流场计算了表面声压级分布和声压谱。三种方法所用的时间成本大致相同,URANS略低于其它两种,而DDES由于在附着流动区更好地保持RANS特性,故时间成本略低于DES。计算显示,非定常RANS在附着流动区能够得到合理的结果,但不能准确刻画分离流动的流动形态。DES和DDES都能较好地刻画起落架绕流的定常和非定常特性,DDES的结果略好于DES。因为起落架流动属于大分离流动,所以DES也能够得到相对正确的结果。研究结果验证了分离涡模拟在起落架大分离非定常流动预测与噪声预测中的可行性,对减小起落架噪声的方法研究具有一定的意义。     

缝槽平板振动气膜冷却数值仿真研究

为了分析缝槽平板振动气膜冷却传热规律,采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)和Detached-Eddy Simulation(DES)的CFD动网格仿真分析方法,研究了不同振动频率、不同振幅、不同吹风比及剪切涡结构振动的绝热壁面有效温比。结果表明:(1)在低频(f=100Hz)下,振动有利于提高换热面绝热壁面有效温比;但在高频(f=10kHz)下,振动降低了换热面绝热壁面有效温比。(2)相比频率,振幅对绝热壁面有效温比影响更大;在中频(f=1kHz)下,振动绝热壁面有效温比小于稳态绝热壁面有效温比;不同吹风比(M=0.7,1.2,1.9)对绝热壁面有效温比影响趋势基本一致。(3)相比基于RANS的振动仿真方法,基于DES的振动仿真方法能更详细地模拟混合层剪切涡结构流场信息,能更好地反映剪切涡结构对壁面换热效果的影响。     

低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法

建立了一套基于计算流体力学(CFD)/FW-H_pds方程(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface)的气动噪声预估技术和组合优化算法的低噪声旋翼桨尖平面外形设计方法。首先,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成。在优化过程中,桨叶网格生成采用提出的高效参数化的网格自动生成方法。在建立的CFD方法求解基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方程来求解旋翼高速脉冲(HSI)噪声。然后,以降低旋翼HSI噪声为目标,以旋翼悬停气动性能为约束,提出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法耦合到遗传算法过程中,建立了一种高效的组合优化算法。在当前的计算状态下,优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58.4%,优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨声速"离域化"现象,因此可以降低旋翼HSI噪声特性,同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30%,旋翼悬停性能提高了2%~3%。