围绕旋翼飞行器的三维结构化运动嵌套网格生成方法

考虑到旋翼飞行器的旋翼各种运动和机身复杂外形特点,建立了一种鲁棒性高的三维结构化嵌套网格生成方法。采用三维Poisson方程对初始网格进行迭代,获得了高质量的旋翼桨叶三维结构化网格。以此方法为基础,以复杂外形几何体表面网格为初始网格,建立了一种抛物型法向外推方法。推进过程中,使用经抛物化处理的新Poisson方程进行光顺迭代,源项由Hilgenstock法确定,有效克服了椭圆型方程生成网格时边界点较难调整的困难。通过网格最小正交度的检测,表明了该抛物型方法的先进性。进一步将高效的挖洞法("Top map"法)和贡献单元搜寻法("Inverse map"法)引入上述三维结构化网格生成中,建立了围绕旋翼飞行器的运动嵌套网格生成方法,采用RANS方程分别对Caradonna-Tung旋翼和V-22倾转旋翼机流场进行计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)计算,表明该网格生成方法能够满足CFD计算的需求。     

基于嵌套网格和计入尾迹影响的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用了由动量理论导出的远场边界条件和由尾迹诱导速度代入滑移条件而构造的新翼面边界条件。为减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,本文采用一种伪贡献单元搜寻法。应用上述方法进行了算例计算,给出了有无尾迹修正时的旋翼桨叶表面压力分布和沿展向升力分布的计算结果,并与可得到的实验数据进行了对比。此外,从计算的等涡量线图上分析了旋翼尾迹流场畸变的发展趋势,表明了Euler方程法在旋翼涡尾迹捕捉方面的能力。     

悬挂式跷跷板旋翼桨叶拉力载荷的一种工程算法

在一阶诱导速度分布,一阶周期变距,三阶挥舞运动的基本假定下,提出了一种悬挂式跷跷板旋翼桨叶挥舞面内拉力载荷的工程算法。为此,首先推导了含有悬挂高度和桨叶预锥角影响的这类桨叶的挥舞运动方程。并用“法方程法”及“共轭斜量法”求解了一种属于矛盾方程的挥舞运动系数方程组,取得一致结果。随后,导出了气动拉力载荷表达式。最后,以××无人驾驶直升机悬挂式跷跷板旋翼桨叶为算例,计算了拉力载荷并分析了悬挂高度和预锥角对挥舞运动系数的影响关系。     

基于弹簧系统网格变形方法的旋翼气弹耦合分析

在旋翼气动弹性耦合（CFD/CSD）分析中引入弹簧系统网格变形方法，建立了一套适合于旋翼气动载荷分析的CFD/CSD耦合方法。为了解决CFD/CSD耦合中关键的网格变形问题，旋翼桨叶贴体网格变形采用基于“ball-vertex” 弹簧系统的动态网格方法，通过添加冗余约束，避免了畸形网格单元的产生。旋翼流场计算采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD模块，对基于运动嵌套网格 的空间流场进行求解，湍流模型采用B-L模型。结构分析采用基于中等变形梁理论的CSD模块，基于Hamilton变分原理建立旋翼桨叶动力学方程。首先对振荡NACA0012翼型的流场进行了求解，验证了网格变形模块和CFD模块的有效性，然后采用UH-60A直升机旋翼作为算例对结构动力学模块进行数值验证。在此基础上，计算了UH-60A直升机旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动载荷，并与飞行测试数据进行了对比。计算结果表明，文中的弹簧系统网格变形方 法可以有效地用于旋翼CFD/CSD耦合计算分析，提高了旋翼气弹载荷的预测精度。     

基于嵌套网格技术和多种空间离散格式的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler/N-S方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型.在空间离散方法上分别采用Jameson中心差分格式、Van Leer矢通量分裂格式、AUSM格式3种方法,同时加入了Van Albada限制器,并应用了嵌套网格方法.文中采用Hole-Map方法来确定洞边界,采用Inverse-Map方法来搜寻贡献单元.最后给出了旋翼桨叶表面压力分布的计算结果,并与实验数据进行了对比,证明以上3种空间离散格式在旋翼流场计算中的准确性.     

一种基于块结构的非结构网格快速生成方法

以阵面推进法为基础，提出了一种用预制模块的方法实现在平面域内生成非结构网格的新方法，即模块方法。模块是由一组三角形构成，文中以三角形模块为例，介绍了网格模块的预制方法。网格的生成是根据空间步长的背景信息，从预存的网格模块中选取当地合适的模块，直接复制或变形到计算区域实现的。由于生成过程中每一步引入的是预制的网格模块而不是传统的单个三角形单元，因此可期望新方法要比传统方法快得多。算例显示了新方法的快速网格生成过程，该方法具有推广应用前景。     

直升机旋翼/机身耦合系统气动/机械稳定性分析新方法(英文)

研究了前飞状态下直升机旋翼 /机身耦合系统的气动 /机械稳定性问题。根据柔性多体系统动力学理论 ,通过构造一种 2 4自由度的刚柔混合单元得到旋翼 /机身耦合系统的周期时变运动方程 ,建模中考虑了桨叶预锥、后掠、中等弹性变形以及直升机机身和传动轴的弹性影响 ,体现出铰接式桨叶绕挥舞、摆振和变距铰的整体刚性运动与桨叶中等弹性变形之间的动力学耦合作用 ,推导中对桨叶挥舞、摆振和变距转角幅值未加任何限制。根据 Floquet理论对稳态周期解的稳定性进行研究 ,采用 Newmark直接数值积分方法得到转移矩阵。对某新型直升机的气动 /机械稳定性进行了分析 ,结果发现对于给定的前飞状态是稳定的 ,但是随着传动轴弯曲和扭转刚度的降低出现不稳定现象。     

三维非结构网格的生成及其应用

采用阵面推进法生成了高质量的三维四面体非结构网格，该方法的特点是在生成单元的同时引入结点，与其他预布结点的方法相比，其好处是能更好地控制网格单元尺度在整个计算域的合理２并提高网格质量。用Ｄｅｌａｕｎａｙ方法连接存储有控制参数的结点生成了背景网格。网格生成过程中采用了合理的数据结构，有效地提高了程序运行效果，最后给出了Ｍ６机翼的数值算例。     

采用综合气弹分析方法的旋翼非定常气动载荷计算

提出一种桨叶结构、气动和惯性耦合的旋翼系统综合分析方法，将桨叶绕挥舞、摆振及变距铰的刚性转角作为广义坐标，计入了桨叶整体运动和自身中等弹性变形之间的动力学耦合效应，桨叶弹性变量通过有限元法进行离散，翼型剖面气动力采用Leishman—Beddoes二维非定常和动态失速模型，由自由尾迹模型得出桨盘的非均匀入流，依据柔性多体系统动力学方法推早出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。对Newmark隐式数值积分方法进行改进，用于求解旋翼桨叶的响应。以法国SA349／2小羚羊直升机的试飞测试数据为依据，验证了方法的有效性。     

用于弹性旋翼流场模拟的网格变形方法研究

建立了一个基于改进"Ball-Vertex"的具有拓扑无关性的网格变形方法,用来精确模拟桨叶发生弹性变形后贴体网格的运动以及旋翼近场气动力环境,为更好地分析弹性变形对桨叶贴体网格的影响提供了一套解决方案.该网格变形方法从基本的弹簧模拟思路出发,用一网状弹簧系统来模拟桨叶贴体网格的变形和运动.在网格结点周围引入"Ball-Vertex"概念,通过添加相关的冗余约束,该方法保证网格结点在变形过程中不会越过与该点所对应的对角面,从而避免了畸形网格单元的产生,可有效地用于较大变形情况下的流场数值计算.使用所建立的方法,首先对绕二维翼型的结构网格和非结构网格进行了网格变形模拟,以表明方法的有效性;然后,将该方法应用于振荡翼型的流场数值求解,进一步验证了所建立的方法;最后,结合该网格变形方法和旋翼流场求解方法对弹性旋翼流场进行了数值计算.在此基础上,得出了一些有意义的结论.     

一种新的非结构动网格的生成方法

弹簧方法是一种常被采用的非结构动网格生成方法,文中采用一种新的非结构动网格生成方法即弹性体方法(Elastic solid method,ESM)。和弹簧方法相比,虽然弹性体方法的计算量大,但是可以处理大位移的情况,尤其善于处理网格扭转很厉害的情况。另外,采用弹性体方法可以减小网格重新生成的频率,从而可以减小映射误差,同时也可以减小网格重新生成带来的计算量。将两种方法的数值模拟结果进行对比,进一步表明该弹性体方法在处理动网格问题中的优势。     

Body-Fitted Momentum Source Method for Predicting Rotor Aerodynamics Characteristics in Hover

To gain high efficiency for the simulation of the aerodynamic characteristics of the rotor in hover,body-fitted momentum source(BFMS)method is proposed. In this method,the actual blade geometry is represented by the single layer of volume grid surrounding the blade. Aiming at correctly simulating the aerodynamic characteristics of the discrete cells along the chordwise of blade airfoil section,a new distributed force model is proposed. For comparison,the RANS method with S-A turbulence model and the steady rotor momentum source(SRMS)method based on embedded grid systems are established,respectively. And the grid connecting methodology is improved to embed the blade into the background grids for the three methods. Then,simulations are performed for the hovering Caradonna-Tung rotor by these methods,and the calculated results are compared with the available experimental data. Moreover,the pressure distributions along the blade are compared with the conventional momentum source methods. It is demonstrated that the BFMS method can be employed as an effective approach to predict rotor aerodynamic characteristics with a low computational resource and reasonable accuracy.     

基于混合动网格的二维非定常粘性流动数值模拟

利用基于Delaunay三角化的动网格方法,在混合网格上求解了带运动边界的二维非定常Navier-Stokes方程。在有限体积法格心格式的基础上,采用带人工耗散项的Jameson中心格式以及双时间步长推进方法对Navier-Stokes方程中的空间项和时间项分别进行了离散。湍流模型为Spalart-Allmaras方程模型。对在跨声速粘性绕流中进行俯仰振动以及后缘摆动的翼型进行了数值模拟,得到了令人满意的结果。     

基于自适应非结构嵌套网格的旋翼流场模拟

针对直升机旋翼CFD仿真的复杂性,提出了改进的适合于格心格式求解器的非结构嵌套网格算法。采用自适应网格技术在旋翼流场仿真的整个过程中进行网格的自适应加密和疏化操作,以更好地捕捉桨尖涡等流动细节。对于频繁的自适应过程中产生的大量重复点和无用点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)和标记-删除-移动算法(Mark,delete,move,MDM)进行删除,节约了不必要的存储。针对格心格式的求解器,采用了基于梯度的网格间插值方式,简化了网格间数值传递的复杂性,同时不降低求解器的精度。对CaradonnaTung旋翼悬停算例和HLISHAPE 7A旋翼悬停算例进行了模拟验证,计算值与实验值吻合,表明本文建立的方法具有良好的鲁棒性和有效性。最后,与未采用自适应时求解器对桨尖涡的捕捉效果进行了对比,结果表明本文所采用的方法可以明显地提高求解器对桨尖涡的捕捉。     

分区对接网格下多段翼型N-S方程计算

对多段翼型的复杂粘性流场，各翼段物面及尾迹区生成C型网格．外场采用O型网格，中间用H型附加区过渡．自动生成高效的分区对接C-O-H型网格。采用时间精确有限体积高精度格式解可压缩N—S方程。层流、紊流的N—S方程求解结果，说明了本方法的有效性。     

任意回转面叶栅C网格的数值生成

首先尝试采用任意曲面椭圆方程，数值生成任意回转面上叶栅Ｃ网格，经过对边界条件的仔细处理，生成的网格可保证在周期外边界和重合内边界上网格线导数连续，在叶片表面网格线相互垂直，提出了结合初始网格线分布，控制环绕叶片网格线分布的方法。     

风力机翼型阵风响应计算与分析

基于网格速度方法,对阵风条件下风力机翼型运动的气动特性进行数值计算。中心格式有限体积法、双时间推进法求解预处理后的非定常N-S方程。计算结果表明:在弦向阵风作用下,翼型的运动能有效降低响应波动峰值,即弦向阵风对运动影响较小;而在法向阵风作用下,气动响应波动很大。计算翼型在不同参数阵风作用下的响应过程,阵风的频率变化对响应影响不大。弦向阵风的幅值增大,叶片运动对阵风响应峰值减缓效果增加;法向阵风的幅值增大1倍,响应峰值也增加1倍。     

基于WENO-分段线性格式的旋翼流场数值模拟

为了降低二阶JST(Jameson-schmidt-turkel)格式导致的数值耗散,发展了一套适合于格心格式的基于加权本质无振荡(Weighted essentially non-oscillatory,WENO)-分段线性格式的旋翼流场数值模拟方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕旋翼的网格系统,主控方程选择Navier-Stokes(N-S)方程。为了更加有效地对桨尖涡等流动细节进行捕捉,在笛卡尔背景网格上采用七阶Roe-WENO格式计算对流通量;在桨叶贴体非结构网格上采用二阶精度的Roe-分段线性格式计算对流通量。时间离散采用了高效的双时间隐式LU-SGS(Lower upper symmetric Gauss-Seidel)方法进行时间推进。最后,应用上述方法对悬停状态的C-T(Caradonna-tung)旋翼和Helishape 7A旋翼进行了数值模拟,将数值计算结果与实验数据进行了对比,计算值与实验值吻合较好;并将桨尖涡模拟效果与二阶JST格式的模拟效果进行了对比。对比结果表明:本文方法能有效对旋翼流场进行计算,且在相同计算条件下,WENO-分段线性格式能够更有效地捕捉旋翼涡流场的流动特性,表明在计算旋翼涡流场时WENO-分段线性格式相比传统二阶JST格式具有更低的数值耗散。