Numerical investigations on the VFE-2 65-degree rounded leading edge delta wing using the unstructured DLR TAU-Code

The numerical simulation of the flow around a 65° delta wing configuration with rounded leading edges is presented. For the numerical simulation the DLR TAU-Code is used which is based on an unstructured hybrid mesh approach. Within this paper several numerical results are shown, solving the steady RANS equations by different turbulence models. The simulations are carried out within the RTO/AVT-113 task group focusing on experimental and numerical research on delta wing configurations with rounded leading edges. Within this paper the focus is related to the flow topology depending on the angle of attack as well as on Reynolds number effects. Finally the results are compared and verified by experimental data.     

复杂湍流流动的混合RANS/LES方法研究

混合RANS/LES方法是近年来复杂湍流模拟的重要方法。简要回顾了混合RANS/LES模拟方法的发展历程,着重总结和分析了分离涡混合模型、类Menter SST混合模型以及湍流能量谱一致混合方法三类混合模型的构造方法和发展历程,对这三种方法的应用以及优缺点进行了简要评述,最后指出了混合RANS/LES方法发展应该兼顾的问题,为下一步的混合RANS/LES模拟提供了参考。     

后向台阶超声速流动的动力混合RANS／LES模拟

针对可压缩湍流流动,构建了1种动力混合RANS/LES模式。运用该模式模拟了超声速后向台阶流动,结果再现了二维后向台阶剪切层的拟序结构,计算得到了统计平均的压力分布,回流区长度与实验结果符合较好。与定系数的一般混合RNAS/LES模拟结果的对比表明,动力混合RANS/LES模式在对流场拟序结构的捕捉、流动时均压力分布方面表现较优。     

战斗机垂尾脉动压力数值模拟

在亚跨超计算流体力学（CFD）软件平台（TRIP）上开发了基于RANS/LES混合思路的IDDES流动模拟技术,并通过NACA0021翼型60°大迎角分离流动与串列圆柱绕流模拟对RANS/LES混合方法的精确度进行了验证,针对某战斗机外形的垂尾脉动压力开展了数值模拟研究。战斗机来流马赫数为0.1,基于全机长度的雷诺数为2×10⁶,模型迎角为20°、30°和40°。分别通过脉动压力系数、脉动压力功率谱密度、空间流动结构以及侧向力响应曲线等对战斗机的垂尾脉动压力进行了分析。脉动压力模拟结果表明：当垂尾完全沉浸在边条翼脱体涡破碎后的宽频湍流脉动气流中时,垂尾翼梢位置的脉动压力会发生明显的增大。     

基于RANS-LES混合方法的翼型大迎角非定常分离流动研究

使用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟（RANS-LES）混合方法中的延迟分离涡模拟（DDES）方法,模拟了NACA 0015翼型在大迎角下的静态绕流和强迫振荡运动并与实验值进行了比较。在大迎角静态翼型大分离流动模拟中,DDES方法捕获了非定常RANS计算未能获得的机翼背风面的涡脱落现象。在所采用的RANS和DDES模型中,基于剪切应力输运（SST）湍流模型的SST-DDES混合方法给出的时均压力系数分布与实验吻合得最好。在大迎角强迫振荡翼型绕流模拟中,DDES方法得到的非定常气动载荷与实验值吻合得很好,正确地反映了最大迎角处阻力和俯仰力矩的阶跃性突变,而非定常RANS计算则给出了完全错误的趋势。     

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。     

Navier–Stokes analysis methods for turbulent jet flows with application to aircraft exhaust nozzles

This article presents the current status of computational fluid dynamics (CFD) methods as applied to the simulation of turbulent jet flowfields issuing from aircraft engine exhaust nozzles. For many years, Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) methods have been used routinely to calculate such flows, including very complex nozzle configurations. RANS methods replace all turbulent fluid dynamic effects with a turbulence model. Such turbulence models have limitations for jets with significant three-dimensionality, compressibility, and high temperature streams. In contrast to the RANS approach, direct numerical simulation (DNS) methods calculate the entire turbulent energy spectrum by resolving all turbulent motion down to the Kolmogorov scale. Although this avoids the limitations associated with turbulence modeling, DNS methods will remain computationally impractical in the foreseeable future for all but the simplest configurations. Large-Eddy simulation (LES) methods, which directly calculate the large-scale turbulent structures and reserve modeling only for the smallest scales, have been pursued in recent years and may offer the best prospects for improving the fidelity of turbulent jet flow simulations. A related approach is the group of hybrid RANS/LES methods, where RANS is used to model the small-scale turbulence in wall boundary layers and LES is utilized in regions dominated by the large-scale jet mixing. The advantages, limitations, and applicability of each approach are discussed and recommendations for further research are presented.     

基于RANS/LES方法的超声速底部流场数值模拟

分别采用基于两方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型的延迟DES(DDES)、更改的DDES(MDDES)和改进的DDES(IDDES)方法,并引入可压缩修正,结合三阶MUSCL-Roe和五阶WENO-Roe两种空间离散格式,针对超声速底部的复杂流动现象,开展了数值模拟研究。计算结果表明本文方法能够捕捉到超声速底部流动中丰富的湍流结构,通过分析计算结果对超声速底部的流动机理有了进一步的认识,为下一步的超声速底部流动减阻改进和雷诺平均NavierStokes/大涡模拟(RANS/LES)方法在非定常高可压缩性流动中的应用提供了参考。通过对比分析不同空间离散格式的计算结果研究了数值耗散对计算的影响,五阶WENO-Roe格式的计算结果与实验结果吻合良好;对不同RANS/LES混合方法的计算结果进行了对比分析,结果表明IDDES方法在近壁区的表现优于DDES和MDDES方法。     

更准确、更精确、更高效——高超声速流动数值模拟研究进展

从准度、精度和效率3方面回顾了近几十年来高超声速流动数值模拟研究的进展。在物理模型方面,介绍了高超声速数值模拟中高温气体效应、稀薄气体效应以及湍流效应的建模与模拟,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程重点对现阶段较为关注的高超声速边界层转捩的模式理论研究进行了介绍。在空间离散算法方面,主要介绍了高超声速数值模拟中常用的二阶精度迎风格式以及高阶精度格式的发展及其应用。在时间推进方面,主要回顾了隐式时间推进方法的发展及其应用。在误差和不确定度估计方面,主要介绍了其概念、来源以及常用的分析方法,同时给出了迭代误差估计、Richardson外插法以及敏感性导数方法等初步研究结果。最后,讨论了高超声速流动数值模拟中下一步需关注的问题。     

脉冲频率对径向涡轮转子进口流动特性的影响

可调涡轮增压器涡轮转子进口的动静干涉效应以及脉冲气流的波动使得转子进口流动更为复杂,进而影响转子通道内的气体流动。为了更好地了解脉冲频率对涡轮转子进口流动特性的影响,应用ANSYS CFX软件对不同频率(20、40、60 Hz和80 Hz)脉冲进气条件下的全周径向可调涡轮模型进行数值模拟,并通过试验数据对数值模型进行了验证,得出转子进口平均气流角在一个脉冲周期内的分布规律以及气流角在周向和叶高方向的分布规律。发现脉冲频率对低压侧转子进口入射角影响更大,脉冲频率越低,低压侧的转子进口负入射角越大;周向绝对气流角分布规律相似,波动幅度基本相同;相对气流角在压力下降沿波动更稳定。      

风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究

基于自主研发的“亚跨超 CFD 软件平台”(TRIP3.0)，采用刚性运动网格技术和动态拼接网格技术，开发了针对旋转类机械的非定常求解模块。本文开展了 NREL Phase VI 风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究，影响因素主要包括不同时间步长的影响、不同湍流模型的影响、刚性动网格技术和动态拼接网格技术的影响三个方面。本文数值模拟采用的控制方程为雷诺平均 N-S 方程，采用有限体积法离散控制方程，离散方程的时间方向采用“双时间步”方法求解，空间方向无粘项离散采用 MUSCL-Roe 格式，湍流模型采用 SA 和 SST 湍流模型，并引入多重网格和并行计算技术加速求解。数值模拟结果表明：时间步长、湍流模型、网格方案等因素主要影响风力机叶片吸力面的流动结构，进而影响吸力面的压力分布，而对压力面的流动结构和压力分布基本没有影响；采用刚性运动网格结合 SA 湍流模型所得到的压力分布更接近实验值。     

Experimental and Numerical Investigation of the Effects of Passive Vortex Generators on Aludra UAV Performance

A study of the effects of passive vortex generators (VGs) on Aludra unmanned aerial vehicle (UAV) aerodynamic characteristics is presented. Both experimental and numerical works are carried out where an array of VGs is attached on Aludra UAV’s wing. The flow measurements are made at various angles of attack by using 3-axis component balance system. In the numerical investigation, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) code FLUENT 6.3TM is used in the simulations with fully structured mesh with Spalart-Allmaras (S-A) turbulence model and standard wall function. The comparison between the experimental and numerical results reveals a satisfactory agreement. The parametric study shows that higher maximum lift coefficient is achieved when the VGs are placed nearer to the separation point. In addition to this, shorter spanwise distance between the VGs also increases the maximum lift coefficient, rectangular and curve-edge VG performs better than triangular VG.     

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

定常吹/吸气控制凸包分离的数值研究

针对凸包流动分离主动控制开展了参数化数值研究。凸包模型为NASA设计用于流动分离主动控制的内外流通用模型。重点研究运行参数变化时定常吹/吸气影响。首先采用试验数据标定了所开发程序,然后进行了一系列参数化数值模拟。结果显示:定常吸气作用明显不同于定常吹气。对于所给定几何模型,不管吸气流量增加到多大,吸气都无法消除分离,而吹气可以做到。详细展示流动结构并讨论了流动机理。      

超声速湍流流场的RANS/LES混合计算方法研究

采用对接/拼接网格技术,建立了基于分区混合和基于湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型,并对环翼低速绕流、翼型跨声速绕流和球锥带凹窗外形二维超声速绕流进行了初步的数值模拟.环翼和翼型绕流计算表明,该混合模型可给出较合理的湍流宏观平均量;球锥带凹窗外形二维超声速绕流计算表明,该混合模型可得到超声速瞬态湍流脉动流场,凹窗处存在复杂的旋涡结构和波系结构,呈现较大尺度的脉动.但该模型还需要进一步的考核验证.     

高速飞行器空腔脉动压力主动控制与非线性数值模拟

空腔脉动压力(空腔噪声)预测是高速飞行器内埋弹舱的关键技术之一。非线性噪声求解方法是近年来新提出的一种噪声求解方法,为研究该方法对空腔噪声的预测性能,将雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程与之相结合。首先,通过RANS求解空腔周围流场,得到初始湍流统计平均解,其中包含平均流场基本特征及强制设定的湍流脉动的统计描述。然后,采用非线性噪声求解方法重构噪声源并高精度模拟压力脉动的传播,计算了马赫数Ma=1.5和Ma=5条件下的空腔噪声。结果表明,噪声特性计算值与试验结果基本吻合,说明非线性噪声求解方法对于高速空腔流动噪声具有较好的预测能力。在此基础上,研究了马赫数Ma=1.5和Ma=5条件下在空腔前缘加入气帘喷流主动控制措施对噪声的抑制作用,并得出在超声速和高超声速条件下,气帘喷流对于空腔脉动压力都有较好的抑制作用。     

厚覆冰导线升力突变机理及数值模拟研究

针对新月形厚覆冰导线的升力系数在风攻角15°附近存在突变的问题,分别采用基于k-ωSST湍流模型的雷诺时均法和大涡模拟(LES)的数值方法对新月形厚覆冰导线在风攻角10°~20°范围进行了模拟。通过对比两种数值方法计算得到的覆冰导线气动力系数、流场结构和表面风压,发现LES方法能够更好地捕捉新月形覆冰导线表面的小尺度涡结构,得到的覆冰导线气动力参数计算结果与风洞试验数据高度吻合;而k-ωSST湍流模型难以模拟壁面上小尺度涡,捕捉不到升力系数的突变。根据覆冰导线不同壁面区域的压力分布,发现上侧壁面处的涡结构影响整体流场,并在下侧壁面曲率、来流夹角和壁面切线方向共同作用下导致升力系数突变。LES的气动力参数模拟结果可为覆冰导线防舞提供参考。     

Progress and future prospects of CFD in aerospace—Wind tunnel and beyond

A historical perspective of computational fluid dynamics (CFD) in aerospace in the last 30 years is firstly given. It is shown that there still remain a number of problems that are geometrically simple but difficult to simulate even after many simulations were conducted over complex body configurations. The fact indicates that CFD research is now in the “specific phase” and requires some innovation.The innovation includes “evolutionary effort” and “revolutionary effort”. As an example of evolutionary effort, large eddy simulations/ Reynolds-averaged Navier–Stokes simulations (LES/RANS) hybrid method and its application examples are presented. A shift from RANS to LES/RANS hybrid method occurs not because of the advancement of computers but because of our recognition that separated flows are inherently unsteady and successful simulations require LES-like computations.Comment is given that there may be other types of research necessary to make CFD a real useful tool for a design in addition to simply showing CFD capability for complex body configurations. As one of the examples, construction of a CFD database is presented. Another issue is to make CFD infrastructures so that people outside CFD community may use CFD as a tool to formulate or refine their ideas.To find out revolutionary effort, the message given by Prof. Dean Chapman in 1977 is referred. Observation of current CFD research reveals that evaluation methods of “scale effect” that were believed to be the most important benefit of CFD have not yet been established. Such establishment is the key for the revolution of CFD and researchers need to focus their effort on the development of technologies to evaluate scale effect. Only with such new CFD technologies can “conceptual design with CFD” become feasible.