文章导读

关于 CFD 高精度保真的数值模拟研究（1-4，doi：10．7638／kqdlxxb-2015．0211）张涵信本文由四部分组成。第一部分研究了利用高阶格式、网格、物理模型和高性能计算机求解 NS 方程时，计算数据的高精度保真性的要求以及高精度保真的指标。第二部分研究了利用大规模计算开展大涡模拟和直接数值模拟存在的问题。第三部分分析了在高雷诺数下 NS 方程计算方法和网格的关系。最后提出了建立计算数值验证、确认的新方法。     

螺旋桨流场Euler/NS数值解对比分析

采用多块点对点网格生成技术,生成螺旋桨流场空间计算网格。针对不同前进比,分别求解Euler和NS方程对螺旋桨流场进行数值模拟,并与实验结果进行了对比分析。研究发现无粘和有粘的计算结果均接近于实验结果,因此基于Euler方程的流场数值模拟更适用于工程设计。     

直升机旋翼悬停流场的粘性数值模拟

在旋转坐标系下求解可压缩NS方程,对Caradona-Tung旋翼的跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算中采用嵌套网格方法,并且应用了多重网格技术加速流场收敛。计算结果表明,多重网格技术显著改善了流场的收敛效率,计算量仅为单重网格的四分之一。文中同时还对无粘和粘性流场进行了对比,NS方程考虑了物面的粘性作用,能正确模拟出激波和边界层的干扰现象,计算得到的桨叶表面压力分布与实验值更加吻合。     

结构/非结构混合网格数值模拟栅格翼

为了详细了解栅格翼内部的流动特性,设计满足飞行器性能要求的栅格翼,本文开展了多种不同单栅格外形的气动特性数值计算,对单个栅格的外形进行了初步选型研究;然后采用结构网格、结构与非结构混合网格求解NS方程,对带有两片栅格翼的导弹进行了数值模拟,结构网格计算结果与结构非结构混合网格计算结果一致,并与国外文献的计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好.采用混合网格比结构网格的网格规模小许多,可以节省大量计算机内存和计算时间,是一种比较好的栅格翼数值模拟方法.     

二维舵面绕流的N-S方程数值计算研究

本文基于结构化网格,应用Baldwin-Lomax湍流模型进行绕舵面流动的二维N-S方程数值模拟,将部分计算结果与风洞试验结果进行了对比分析研究,分析了计算方法的可靠性和计算结果的合理性.为开展三维舵面绕流的N-S方程数值模拟和铰链力矩数值计算研究奠定了基础.     

翼型和机翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法来数值求解非定常Euler和NS方程,并在非定常计算中通过引入"网格速度"来计入阵风的影响,实现了对刚性翼型和机翼阵风响应的有效数值模拟。首先采用该方法来对翼型攻角突然增大的阵风、陡边型阵风这两种典型阵风情况下的翼型气动力响应进行了计算,结果表明:计算结果与现有的一些理论结果都符合较好,与文献中计算结果也吻合,NS方程的计算结果与Euler方程计算结果在变化趋势上是一致的,但具体的数值有差别。最后针对攻角突然增大的阵风,对不同马赫数下不同展弦比平直机翼的阵风响应进行了数值模拟,得出的计算结果与文献中的计算结果一致。     

机翼静气动弹性数值模拟研究

通过求解基于三维非结构网格的欧拉方程计算机翼气动特性,采用结构柔度影响系数方法进行机翼静弹性变形的计算,利用三维非结构弹性网格技术进行几何外形变形下的网格修正,将以上三部分进行耦合迭代.实现了机翼的静弹性特性的数值模拟.采用开发的数值分析程序,进行了某支线飞机机翼静弹性特性的计算分析,计算结果合理,表明所发展的数值模拟方法可用于机翼静弹性气动特性的分析研究.     

RAE2822翼型跨音速流动CFD计算的可信度分析

采用格点格式的有限体积法对RAE2822翼型的气动特性进行了粘流数值模拟,流动模型为雷诺平均NS（RANS）方程。在此基础上系统研究了不同网格类型以及不同湍流模型的计算精准度。通过与经典的试验数据进行确认研究,得出了适宜二维跨音速粘性流动计算的网格拓扑分布规律,并总结出了适宜的湍流模型。     

高阶精度方法下的湍流生成项对跨声速流动数值模拟的影响研究

利用五阶空间离散精度的WCNS格式和多块结构网格技术,通过求解雷诺平均NS方程,开展了SST两方程模型不同湍流生成项组合方式对跨声速流动数值模拟影响的计算分析。研究的主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的工程应用提供技术支撑。计算模型采用了RAE2822超临界翼型和DLR-F6翼身组合体构型。研究内容主要包括不同湍流生成项对残差收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及模型整体气动力特性的影响。不同湍流生成项组合方式的流场计算结果还与风洞试验数据进行了对比。研究结果表明:对于小迎角不存在明显分离的跨声速流动,不同湍流生成项对流场的高精度计算结果的影响很小,可以不用考虑。     

高阶精度格式WCNS-E-5在亚跨声速流动中的应用研究

采用高阶精度非线性紧致加权格式WCNS-E-5和Baldwin-Lomax模型,求解雷诺平均Navier-Stokes方程,开展了典型翼型与机翼的湍流流动数值模拟研究.对方程中粘性项采用的四阶精度差分近似以及网格导数求解与边界格式的四阶精度,保证了高精度算法的实现.计算结果表明:本文算法能够准确地模拟这些翼型与机翼的亚跨声速流场,得到与实验测量十分吻合的壁面压力分布,计算结果对网格的依赖性小.     

固体火箭发动机的CAD和CAM设想

提出固体火箭发动机领域计算机辅助设计和计算辅助制造的流程图，并认为结构装药设计的性能预示和热防护计算是发动机理论和结构设计的中心内容，计算机制图是设计思想的最终表达。性能预示的核心是考虑燃烧和流动相互作用的工作过程的数值模拟，热防护设计的核心是烧蚀，传热和强度计算。ＣＡＤ和ＣＡＭ系统应当随时吸收新的研究成果，高水平的核心研究成果，对固体火箭发动机性能预示的准确度和理论设计水平的提高具有重要作用。     

面向对象的涡扇发动机及控制系统仿真平台

研究了面向对象的航空发动机数值仿真平台实现机理, 构建了涡扇发动机及其控制系统模型库, 采用面向对象方法完成了模型库及辅助类库的代码实现;研究了交互式仿真界面及模块化构建仿真系统的关键技术, 在此基础上结合模型库、辅助类库构建了涡扇发动机及其控制系统通用仿真平台, 仿真结果表明, 该平台可计算发动机从零加速到最大状态的全程实时动态仿真, 动态误差小于8%, 控制系统响应快, 超调小, 能够满足发动机控制仿真的需求.      

跨声速轴流压气机特性预测的损失模型研究

基于公开发表的研究成果,完善了1种新的跨声速轴流压气机总压损失及落后角预测模型,并发展了相应的跨声速轴流压气机非设计性能分析方法,建立了相应的计算机模拟程序。对2个跨声速轴流压气机的设计及非设计性能进行了数值模拟,对所得计算结果与试验结果的比较表明,本模型与分析方法能够应用于工程计算。     

计算机模拟技术在航空发动机设计中的应用

通过对过去30多年来航空燃气涡轮发动机性能计算机模拟技术研究的回顾,总结了发动机性能模拟技术的研究方法,分析了发动机模拟技术的现状,提出了发动机计算机模拟技术的三个层次概念,并对目前国内现有技术进行了总结,提出以发动机仿真为目标的发动机性能仿真应是未来发展的方向;还以基于第二层次数学模型的某计算机模拟软件为手段,通过对某型涡扇发动机设计参数的分析和发动机使用过程中各种影响因素的预测分析等．阐述了基于计算机模拟技术的航空燃气涡轮发动机设计技术,分析了计算机模拟技术在发动机设计中的应用。     

畸变进气对双轴涡喷发动机性能的影响

基于畸变进气下压气机实验特性,数值模拟了畸变进气下双轴涡喷发动机的总体性能。在数值模拟中,运用数据平滑技术,以消除实验数据的随机波动。由此,大大改善了程序的收敛性并提高了收敛速度。计算表明,畸变进气恶化了发动机的总体性能。在计算的转速范围内,畸变进气使得推力下降最多达到15％,耗油率增加最高达5.6％。     

欧拉方程多重网格方法及三维跨声速大迎角流动数值计算

本文给出一种粗、细网格时间步长可调整匹配至最优组合的多重网格方法以获得在最细网格上最大的加速收敛效益，二重网格中节省机时可达３５％。文中的数值方法可用于飞行器跨声速大迎角无粘有旋的涡干扰流场的模拟研究。     

基于CEL的某型飞机撞水数值仿真

飞机水上迫降已成为适航取证不可缺少的一部分.飞机撞水过程属于复杂的流固耦合模型,从发生在2014年震惊全球的马航MH370航班失事重大事故的背景出发,依据流固耦合理论为基础,对失事客机波音B777-20ER进行非计划的水上迫降冲击动力学分析研究.利用有限元仿真软件ABAQUS采用耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)模拟失事飞机在无计划情况下撞水过程.根据马航MH370官方发布的事故搜救信息和安全调查讨论,建立合理的飞机撞水有限元模型,对不同工况下进行数值模拟,着重讨论飞机偏转角和飞机翼尖压强变化趋势,验证采用CEL法研究飞机水上迫降性能的可行性,也为研究水上迫降和航空失事飞机搜救调查提供参数指导和技术参考.     

Altix 450在三维定常N—S层流数值模拟计算中的并行计算效率研究

在共享内存服务器Altix450上,应用Fluent流体计算软件进行三维定常N—S层流数值模拟计算,研究了该系统的加速比,并行效率和可扩展性;在对网格数为500万和1000万的两次计算对比中发现,当网格数据大的时候,该系统并行优势明显。结果表明,大型的共享内存服务器在计算流体力学中对解决复杂流场数值模拟越来越重要,符合未来计算流体力学高性能计算的要求。     

基于STK的卫星视景仿真软件的设计与实现

基于STK和STK/Connect模块构建了卫星实时仿真系统框架。以VC＋＋6.0为平台开发了卫星实时视景仿真软件,并详细给出了VC和STK集成、仿真数据的发送解析、仿真时间同步等关键技术的实现步骤。该软件利用UDP/IP协议接收数值仿真机广播的卫星仿真数据并进行解析,通过STK/Connect模块发送指令,实时驱动STK进行二维和三维视景渲染,实现了卫星在轨运行状态的实时视景显示。     

A fuzzy sliding-mode controller design for a synchronous reluctancemotor drive

A new method for controlling a synchronous reluctance drive system using a sliding mode with fuzzy controller design is presented. The fuzzy controller is used to adjust the sliding line of the sliding-mode controller. Using this method, the system has a fast response and a good disturbance rejection capability. In addition, the chattering of the speed is reduced. In this work, the mathematical model of the motor is described first. Then, the design procedures for a high performance drive system using a sliding mode with fuzzy control are explained. Next, the system enhanced by a high performance 32 bit digital signal processor (DSP) and simple hardware circuits is shown. Both the current-loop and speed-loop controllers are executed by the DSP. Finally, some experimental and computer simulation results are presented. The experimental results validate the simulation results