NASA共同研究模型翼身组合体数值模拟研究

采用结构网格求解器WiseManPlus软件,对DPW5提供的NASA共同研究模型CRM翼身组合体构型进行数值模拟研究.采用雷诺平均N-S方程,选择SA一方程湍流模型和SST两方程湍流模型,开展了网格收敛性分析及抖振分析计算研究,评估了该软件对此类民机构型的阻力预测能力.按照DPW5的要求,采用会议统一提供的基准结构网格进行计算分析,研究结果表明,计算的巡航设计点的阻力及大攻角下的气动力系数与试验值吻合较好,达到会议统计分析平均水平.计算结果表明,所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件计算精度较高,适用于大型民机高速巡航及抖振现象的数值模拟研究.     

基于混合网格的DLR-F6模型跨声速阻力预测粘流计算

该文详细介绍了针对第二届AIAA阻力预测会议公布的标准模型及其网格进行的基于混合网格的纳维尔-斯托克斯粘流计算考题,我们将自主开发的WoF90程序的计算结果与DLR的TAU程序以及FOI的EDGE程序的计算结果进行了对比分析,发现三种程序的升力系数普遍比实验结果偏高,但偏高的程度大致相同,阻力计算的精度范围大体一致。结果确认了300万网格点的计算结果尚不足以得到网格收敛的效果,阻力预测需要更大规模的网格。     

NASA TrapWing高升力标模数值模拟研究

针对NASA TrapWing高升力全展襟翼构型，采用计算流体力学（ CFD）方法进行三维复杂流场仿真模拟，考察网格尺度和湍流模型对高升力模型气动特性的影响。采用“超立方体”概念，生成绕TrapWing模型的不同网格密度高质量多块结构网格，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程，研究网格尺度对高升力模型气动特性的影响。在此基础上选取中等规模计算网格，考察Spalart Allmaras和Menter k-ωSST湍流模型对高升力全展构型流场模拟能力，分析湍流模型对气动特性的影响。研究结果表明：网格策略具有较好的网格收敛性；湍流模型对翼稍附近位置上翼面压力系数的预测稍有影响，SA湍流模型预测的压力系数较SST更接近实验值。确认研究工作为大型飞机增升装置数值模拟提供了一定的参考。     

多体分离数值模拟及方法验证

利用自主研发的混合网格Euler／RANs方程解算软件WoF90以及六自由度动力学与运动学方程解算程序,采用脚本语言技术实现网格的自动生成,建立了一套可用于多体分离问题的准定常Euler流动非结构网格方法。通过AEDC算例对非结构准定常Euler方程方法解决多体分离问题进行了计算研究,验证了方法的可行性。     

基于嵌套网格的CHN-T1标模数值模拟

为响应第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1),对CHN-T1标模翼身-尾翼组合体构型采用两种RANS求解器进行了基于结构化嵌套网格的网格收敛性研究和抖振特性计算,并与对接网格结果进行了对比分析。参考AeCW-1网格生成指南自主研发了一族以约3.3倍规模增长的稀-中等-密-特密嵌套网格系列。相比于分区点对接网格,融合了贴体网格和笛卡尔网格优势的嵌套网格从根本上降低了网格生成难度,单块网格拓扑形式更为合理且正交性较好,同时能够有效地平衡近场和远场的网格量。对于跨音速运输机构型,同等规模下嵌套网格的物面网格密度较对接网格更大,能够对激波和分离等复杂流动进行更理想的预测。对比计算过程中,自研求解器OFS3D表现出了较高的嵌套网格计算效率和可靠性,而NASA CFL3D求解器的嵌套网格计算能力有待进一步挖掘和验证。计算还发现,不同湍流模型得到的表面压力分布、分离区大小以及最大升力系数存在差别,而风洞模型支撑和机翼静气弹变形对飞行器力矩特性预测影响较大。     

低速增升装置失速特性预测研究

民机低速增升装置失速特性是具有挑战性的空气动力学难题之一,决定着飞机起、降阶段机翼处于流动分离或尾迹干扰状态时的操纵稳定性,是气动设计必须关注的重要方面。利用基于N-S方程的自研多块结构网格计算软件和混合网格计算软件,对NASA高升力梯形机翼标准模型开展了失速特性计算研究,系统评估了计算软件、计算网格、湍流模型等主要因素对失速特性的影响,获得了有效预测高升力构型失速特性的计算方案,并将其成功应用于工程实际,为增升装置失速特性计算评估提供了有意义的参考。     

运输类飞机巡航阻力CFD计算分析

针对运输类飞机设计过程中的巡航阻力准确预测问题,采用基于多块结构网格求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程的并行流动求解器“CCFD-MB”,对AIAA阻力预测小组提供的典型运输类飞机DLR—F6翼身构型进行了CFD计算分析,比较了小同规模网格及不同湍流模型对计算结果的影响;并通过与DLR-F4翼身构型计算结果...     

高升力系统外形的数值模拟计算

分析和讨论了高升力系统外形无黏和黏性流动的物理特征,表明了流动现象的复杂性和求解的艰难性。深入研究了二维和三维高升力外形空气动力数值模拟计算的雷诺平均N-S(RANS)方程方法、计算结果、以及它们和实验数据的比较。二维结果表明压强分布、速度型等计算值和实验值吻合很好,但最大升力系数两者仍有差异。三维计算最大升力系数的结果与二维类似。还分析了影响计算结果的各种因素,包括计算网格、湍流模型、外形的几何模拟的逼真度等。特别指出了转捩模型研究对提高计算准确度的重要性。文中解释了研究高升力系统外型的数值模拟方法,以及同时发展能估算C_Lmax的工程半经验方法的重要性和迫切性。     

解跨音速升力翼型的有限元法

 在应用解全速位方程的最小压强积分有限元法求解绕升力翼型的跨音速流动时,将不可压流中求解绕升力翼型的耦合单位环量流动和无环量流动的解法推广到可压流中。为了确定环量,本文所用Kutta条件是:在后缘处,气流流向平行于后缘角二等分线。因有限元法对网格无正交性要求,因而可在椭圆变换前后进行剪切和延伸变换。这种网格生成法易于构成适用于复杂形状的有限元网格。通过计算并将其结果与文献中的数据比较,表明这种方法应用方便且有较快的计算速度和较高的计算精度。     

运输机组合体绕流非结构混合网格N-S方程数值模拟

本文利用通用网格生成软件生成运输类飞机翼身组合体（DLR-F6）非结构混合网格，在边界附面层区域内，生成三棱柱形网格，在其他流动区域采用四面体网格进行填充。粘性流场求解器采用基于N-S方程的CFX5计算流体软件求解，通过计算结果与风洞试验所得到的数据对比分析，验证了网格生成方法及网格数据的正确性和实用性。本文研究结果也为运输类飞机高速风洞试验提供了对比数据。     

吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。     

基于混合笛卡尔网格的翼型绕流数值模拟

在对重叠网格技术研究的基础上,一套以笛卡尔网格为主体、贴体的结构网格为特殊固壁边界的混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)生成方法得到了发展,同时基于流场特征的笛卡尔网格自适应技术和有限体积方法的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法也得到了开发。通过对经典跨音速RAE2822翼型、双NACA0012翼型和高升力两段NLR-7301翼型进行绕流数值模拟,获得了较好的结果,验证了方法的可行性与精确性,为研究二维复杂外形流动问题提供了一种解决方法。     

Prediction of high lift: review of present CFD capability

A survey is conducted of CFD methods applied to the computation of high-lift multi-element configurations over the last 10–15 years. Both 2-D and 3-D configurations are covered. The review is organized by configuration, in an effort to glean useful insights with respect to particular successes or failings of CFD methods as a whole. In general, for both 2-D and 3-D flows, if certain guidelines regarding grid, transition, and turbulence model are followed, then surface pressures, skin friction, lift, and drag can be predicted with reasonably good accuracy at angles of attack below stall. Velocity profiles can generally be predicted in 2-D flow fields, with the exception of the slat wake, which tends to be predicted too deep by most CFD codes for a range of different configurations. CFD codes can usually predict trends due to Reynolds number in 2-D, but they are inconsistent in the prediction of trends due to configuration changes. On the whole, 2-D CFD is unreliable for predicting stall (maximum lift and the angle of attack at which it occurs); in most cases, maximum lift is overpredicted, but for some configurations the opposite occurs. However, there is some evidence that stall misprediction of nominally 2-D experiments may be caused by 3-D effects, which are obviously not modeled by 2-D CFD. In general, 3-D computations are also inconsistent with respect to computing stall, but there have been fewer of these applications to date. The paper concludes with a list of challenges that confront CFD at the start of the next decade, which should witness a dramatic increase in the number of CFD applications for 3-D high-lift configurations.     

基于隐式嵌套重叠网格技术的阻力预测

 采用一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术,对美国国家航空航天局通用化研究模型(NASA-CRM)翼身平尾(WBT)组合体进行了数值模拟与分析。多层多块隐式嵌套重叠网格技术是结合多层多块嵌套重叠网格处理策略和隐式切割方法,在建立重叠网格之间的流场信息传递关系时,基于网格单元切割准则选择"最优"重叠单元而无需人工设定插值边界。对美国AIAA委员会召开的第4届阻力预测研讨会(DPW-4)提供的CRM WBT组合体生成4种不同密度的结构化多层多块嵌套重叠网格,并采用计算流体力学(CFD)方法进行数值计算和阻力预测,计算结果与CFL3D和OVERFLOW的结果进行了对比。数值模拟结果表明:计算得到的压力分布和极曲线与CFL3D和OVERFLOW的结果几乎相同,说明了隐式嵌套重叠网格技术的有效性,同时也验证了流场求解方法与程序的可靠性。当迎角增大到3°左右时,在机身与机翼、尾翼连接处出现明显的分离涡,影响CRM WBT组合体的气动特性。在阻力预测方面,增加网格密度能够提高阻力预测的精度。采用不同的湍流模型会导致升、阻力系数的计算结果存在一定的差异,因此,湍流模型的选择也是阻力预测需要考虑的因素。     

DLR-F6/FX2B翼身组合体构型高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6和DLR-F6_FX2B 2种翼身组合体构型的高阶精度数值模拟,计算外形来自AIAA第三届阻力预测研讨会。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型和预测局部构型变化引起的气动特性变化量的能力。在固定升力系数条件下,采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动力系数、压力系数分布、表面流态等方面研究了网格规模对DLR-F6和DLR-F6_FX2B翼身组合体数值模拟结果的影响;采用中等网格开展了来流迎角对2种翼身组合体气动特性的影响研究。通过与National Transonic Facility(NTF)的试验结果和CFL3D的计算结果对比,表明采用高阶精度计算方法得到了网格收敛的数值模拟结果,较好地模拟了DLR-F6翼身组合体局部修型引起的微小气动特性变化和翼身结合部流动特性的差异。     

旋翼气动力数值模拟准确度影响因素计算

针对旋翼气动力CFD计算时的一些常见影响因素的选择问题,进行了数值计算讨论.计算求解器选择自研代码,该代码采用基于共享内存(OMP)的并行化方法,在嵌套网格系统下求解Navier-Stokes方程,空间方向上使用2阶迎风格式,时间方向采用双时间方法.讨论的问题包括背景网格数目对悬停桨尖涡捕捉、对前飞状态激波捕捉和气动力的影响,远场动量理论修正作用对计算结果影响等.对于讨论的不同网格数目情况下,计算的悬停状态旋翼拉力差异在6%左右,扭矩差异2.6%左右,旋翼前飞阻力和扭矩最大差异为2.58%和3.28%.是否采用动量修正旋翼拉力相差3%~5%.通过计算,给出了针对以上因素计算结果差异的范围,可以为旋翼气动力计算工作提供一定的参考.      

Application of immersed boundary method in turbomachines

Simulating unsteady turbulent flow in turbomachines is still challenging due to the complexity of blade geometry and relative motion between rotor and stator. This study presents an Immersed Boundary Method (IBM) for high-Reynolds turbomachinery internal flows, and shows the advantage of the automatic grid generation techniques and flexible moving boundary treatments. The wall functions are used in the present method to alleviate the wall resolution restriction of turbulence simulation. The Two-Dimensional (2-D) IBM solver, which was previously developed and tested for a low-speed compressor, is further validated for a well-documented Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. Both the blade loading and the total pressure losses in the wake are well captured by the present 2-D solver. The complex Three-Dimensional (3-D) effects in turbomachines motivate the further development of an extended 3-D IBM solver by using a curvilinear-coordinate system that facilitates the hub and casing boundary treatment. The good performance of the 3-D solver is demonstrated through comparison with CFX solver solutions for the rotor configuration of Advanced Noise Control Fan (ANCF). Further effects of the grid resolution on capturing the blade wake are discussed. The results indicate that the present 3-D solver is capable of reproducing the evolution of the blade wake with suitable computational grid.