基于CFD动网格技术的飞艇动导数计算方法

由于飞艇和飞机这两种飞行器在飞行原理、气动外形等方面都存在较大的差别,因此现有的飞机动导数工程估算公式和经验数据并不适用于飞艇动导数求解。为了解决上述问题,提出了一种新的基于CFD动网格技术的飞艇动导数计算方法。通过非结构化动网格技术,建立飞艇在流场中的强迫振动模型,采用有限体积法对N—S方程求解,研究飞艇在强迫振动中的气动特性变化规律,并基于数值计算结果求解飞艇的动导数。研究发现,得到的计算结果与风洞试验结果基本一致,表明基于CFD动网格技术进行飞艇的动导数求解是有效可行的。     

二维插值法在气动导数计算中的应用

飞行载荷是飞机载荷设计中的关键,在载荷求解过程中快速精确得到气动导数可以提高载荷计算的准确性。在现有气动导数数据基础上,利用薄板样条插值法和克里金插值法,对未知气动导数进行计算。计算结果表明,2种二维插值法的计算精度均远高于传统线性插值,克里金插值法的插值效果更好,为后续气动导数计算提供了新思路。     

利用CFD计算技术进行机翼模型气动特性分析

计算流体动力学方法（CFD）已经成为空气动力学领域重要的计算方法。利用该方法进行机翼模型Naca0012的数值模拟,包括计算模型的气动力系数以及气动导数。采用了效果很好的新型网格控制算法,通过自有程序处理流固耦合边界问题以及商用软件的求解器模块进行整体区域的数值计算。在证明了方法的有效性之后,又通过多种振幅奈件下的数值模拟结果,对以往广泛采用的理论方法的有效性进行了探讨,研究了机翼模型气动导数随振幅变化而变化的情况。     

亚、跨音速三维机翼气动外形反设计的控制理论方法

本文进行了基于控制论的气动外形反设计方法研究，根据给定的目标函数推导了在物理空间上描述的共轭及相应的边界条件，通过构造共轭方程耗散通量项，以及使用特征线理论处理远场边界等措施，研究了共轭方程的数值求解方法，使用Hicks-Henne函数来描述设计变量扰动对机翼表面外形的影响，通过网格扰动获得度量矩阵变分来获得目标函数对设计变量的敏感性导数，优化过程使用拟牛顿优化算法，通过对流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和优化算法这四个方面的有效结合，成功地发展出了一种机翼气动外形反设计方法，进行了机翼气动外形反设计研究，结果表明该设计方法在设计理论及可实现性方面，特别在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性，且设计结果较为可靠，在现有计算条件下是一个好的设计方法，时间花费也较少。     

三次样条插值法在气动导数计算中的应用

在飞行仿真建模过程中,快速、精确的气动导数查寻可以提高仿真系统的实时性和逼真性。在研究大量现有气动导数查寻方法的基础上,提出了一种运用三次样条法、双三次样条法进行气动导数查寻的新思路,该方法不仅避免了以往线性插值的"局部性",提高了计算结果的精度,而且还克服了函数(多项式)拟合法导致动力学模型通用性差的缺陷。仿真实验表明,该方法在气动力和气动力矩的计算中是有效的、可行的。     

结冰飞机气动系数和气动导数的估算方法

飞机在结冰后气动系数、导数会发生变化,由于多种原因,精确地计算其变化量是很困难的。为定量计算其对飞机性能、品质的影响并有效地控制飞机,本文从工程的需要出发,给出一种估算结冰飞机气动系数、导数的方法,对线性变化的各个气动导数、非线性变化的最大升力系数和阻力系数进行估算。根据估算结果与实验数据的比较表明该方法实用有效,可供飞机结冰问题的研究人员参考     

飞机飞行载荷的简化计算方法研究

飞行载荷分析是一项复杂而繁重的工作,研究一种适用于方案设计阶段飞行载荷的快速分析方法,对于提高飞行载荷的计算效率具有重要意义。基于小扰动线性分析理论,归纳翼身气动载荷、平尾气动载荷、垂尾气动载荷、舵面铰链力矩的理论计算方法,以及升力面的气动载荷分布、惯性载荷分布、剪力和弯矩的工程计算方法。针对某型单座竞技飞机的飞行载荷,以外形尺寸、质量特性和气动导数作为输入,通过Matlab 仿真分析,得到各个部件的气动载荷、惯性载荷、舵面铰链力矩、剪力和弯矩等参数响应。结果表明：该简化方法能够根据较少的输入数据快速求解出各个动力学参数,计算结果可以作为方案设计阶段结构设计的载荷输入。     

气动导数非定常数值模拟研究

非定常数值模拟飞行器的强迫振动过程,获得任意时刻的气动参数,可以解决复杂外形以及多种飞行条件的气动导数问题。通过AVICFD-X软件计算0?~80?初始攻角下的BFM带翼导弹的俯仰动导数,验证该方法的可行性。计算结果与实验值具有很好的一致性,反映了大攻角流场非线性特征。计算中充分考虑了工程实际需求,尽可能地减小计算代价,获得了理想结果,表明该方法适用于复杂外形气动导数计算。     

基于共轭方程法的跨音速机翼气动力优化设计

 设计状态的机翼气动力特性是设计人员最为关心的指标, 应用控制理论设计方法进行了有升力约束情形下跨音速机翼阻力优化设计研究, 根据给定的目标函数推导了相应的共轭方程和边界条件, 研究了共轭方程的数值求解方法, 以及计算目标函数对设计变量的敏感性导数时所涉及的度量矩阵变分求解问题, 研究了流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和拟牛顿优化算法这几个主要方面的有效结合问题, 发展出了一种跨音速机翼气动力优化设计方法, 进行了跨音速机翼气动力优化设计研究验证, 优化后机翼气动力特性有一定程度的改善, 阻力系数能减少20%左右, 而升力系数有所增大, 说明所发展的设计方法是成功的, 该设计方法在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性。     

基于控制理论的旋翼翼型优化设计

基于粘性Navier-Stokes方程和最优控制理论原理,研究了气动/几何约束条件下多设计变量的旋翼翼型气动优化设计问题。根据给定目标函数的表达形式,在计算坐标系下推导出了相应的伴随方程和边界条件,以及梯度方程的数学表达式,并对流动控制方程和伴随方程进行了有效数值求解。综合流动方程、伴随方程、目标函数敏感性导数和优化算法,发展了一种高效旋翼翼型气动优化方法。通过典型旋翼翼型的算例验证,表明方法的有效性。     

气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证

采用具有TVD(total variation diminishing)性质的三阶精度Godunov格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮级进行考虑冷气掺混的全三维Navier-Stokes(N-S)方程数值求解,并将所得的结果与试验数据进行对比分析.通过分析数值模拟结果研究了该涡轮级所具有的气动特点.结果表明:所开发的快速、高效冷气掺混网格生成方法以及任意分区的流场求解算法可以满足工程上对气冷涡轮级的总体性能的快速估算及流场结构的详细描述.      

一种高效的隐式间断Galerkin方法研究

基于线性化处理,在时间方向上对间断Galerkin方程进行了隐式离散,从整体上对迭代过程进行了合理的优化,并以此求解了计算流体力学中的二维Euler方程。其中,LU-SGS方法得到了进一步的推广,被用来高效求解隐式格式对应的大型稀疏线性系统。数值实验表明,无论对于亚声速问题还是跨声速问题,该格式都是无条件稳定的;与显式的Runge-Kutta间断Galerkin格式相比,当残值下降到相同量级时,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到了减少。     

Enhancement on parallel unstructured overset grid method for complex aerospace engineering applications

In the present study, an efficient overset grid method by means of parallel implicit hole-cutting is proposed for the sake of simulating unsteady flows in aerospace engineering involving multiple bodies in relative movement. In view of the degraded computational efficiency and robustness for conventional overset grid assembly, several innovative techniques are developed within the overset grid assembly process, viz., a bookkeeping alternative digital tree method to speed up the donor-cell search...     

航空发动机涡轮特性转换方法

针对以落压比为横坐标,流量与效率为纵坐标,并按不同等转速线区分所表示的涡轮特性在涡轮处于临界状态时换算流量几乎保持不变,使得在航空发动机数学模型中应用该形式涡轮特性通过插值求解共同工作点时存在计算效率降低的不足,根据相似理论及等熵条件下涡轮膨胀功与落压比对应关系,推导了涡轮落压比、涡轮效率与涡轮当量功的关系,并结合抛物线插值方法给出了向以转速为横坐标,涡轮当量功与效率为纵坐标,并按不同等流量线区分所表示的涡轮特性转换方法。实例转换计算表明:采用所提出的转换计算方法,可有效解决以往涡轮特性插值流量基本不变的局限,并且两种格式的涡轮特性转换相对误差小于0.65%,满足工程要求。     

90°多弯管阻力系数计算方法

为准确获得90°组合多弯管阻力系数,采用数值模拟方法对S弯管管内流动进行模拟,并通过分析归纳S弯管局部阻力的相邻影响机制及规律,提出了90°组合弯管阻力系数计算方法.研究结果表明:弯管阻力系数受2弯连接段长度影响的规律与文献试验结果一致,数值计算方法准确有效;当连接段长度大于4倍管径时,S弯管阻力系数呈线性增长;提出的90°组合弯管阻力系数计算方法考虑了多弯管间相邻影响,且采用提出的方法计算了3弯管和多弯管的阻力系数,并将结果与数值模拟结果进行了对比,二者之间的差距均在3％之内,适合工程应用.     

叶轮式通风器分离效率计算方法

为研究叶轮式通风器分离特性并建立满足工程设计要求的分离效率计算方法,在对油滴进行了受力分析后,推导了油滴运动轨迹模型,结合油滴捕获条件,给出了不同工况条件下油滴的最小分离直径,进而实现了叶轮式通风器分离效率的理论计算。研究表明:在不同转速、通风量和通风器入口温度时,分离效率和最小分离直径计算值与实验值趋势一致;分离效率最大误差分别为0.95%、1.01%和1.01%;最小分离直径最大误差分别为1.33%、2.29%和6.20%。计算结果与实验结果吻合较好,该方法可为叶轮式通风器设计及分离性能优化提供参考。      

外部扰动影响下风扇和压气机稳定裕度的计算方法

为了定量评定燃气涡轮发动机的风扇和压气机的气动稳定性，分析了影响风扇和压气机稳定性的外部扰动参数，介绍了工程计算气动扰动和燃扰动对风扇和压气机的影响所采用的标准型扰动，给出了在外部气动扰动和热扰动作用下的风扇和压气机的稳定裕度变化的一种计算方法，可供工程研制中参考。     

基于树形马氏链模型的可靠性分析方法

复杂系统的极限状态函数非线性程度较高，在进行可靠性分析时，易导致失效概率的计算误差大、效率低，针对上述问题，提出了树形马氏链（TMC）算法和基于该算法的可靠性分析方法。树形马氏链是对原始马尔可夫链的改进，其状态转移过程更加灵活，具备局部多链并行和自适应探索失效域边界的特性。树形马氏链通过多候选状态点扩大对失效域信息的收集，生成能充分反映失效分布特征的样本，对该样本进行自适应核密度估计得到近似最优的重要抽样分布密度函数，从而提高计算结果的准确度。文末的数值算例和工程算例验证了算法性能，计算结果表明算法对设计点、抽样起点的位置不敏感，处理强非线性及复杂串联系统问题时，能在少样本量下得到相对高准确度的计算结果，且在样本量改变时，计算结果相对稳定可靠；工程算例给出了所提方法在实际问题下的效率，体现了所提方法的工程应用价值。     

连续突变管道流动局部水头损失建模研究

管道系统中设置的阀门、限流环等十分常见,装备限流装置的管道本质就是典型的连续突变管道。突变管道流动存在十分明显的局部水头损失,因此工程设计人员在进行管道系统设计时不得不考虑因管道突变而产生的局部水头损失;目前针对单个突变管道流动局部水头损失已有较为深入的研究,并已推导出相应的计算模型,但对于连续突变管路的水头损失研究较少,工程设计中对于连续突变管路的局部水头损失计算采用基于单个突变管道水头损失的叠加计算法,由于连续突变管路流动为极其复杂的湍流,基于单个突变管道水头损失的叠加计算法而得到的连续突变管路的局部水头损失结果误差较大。鉴于此,采用理论推导与实验相结合的方法,设计四种不同管径比的管道以及23种不同进口流量工况,并以航空煤油为介质进行实验,利用实验结果进行分析并对传统的突变管道水头损失的叠加计算法进行修正,提出了连续突缩突扩管道的局部水头损失修正计算模型,其计算结果相比于传统计算方法在精度上得到了显著性提高,为工程管道系统设计中的连续突变管路局部水头损失计算提供了有力依据。     

间断Galerkin方法计算叶型转捩流动

使用间断Galerkin方法研究叶型转捩流动,进行了大涡模拟(LES)和转捩模型的求解,对T106低压透平和Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动进行了计算.通过T106低压透平的计算对LES和转捩模型进行了比较,结果表明两种方法得到的压力分布和分离泡位置均与实验值吻合良好.LES得到的分离泡的轴向位置为0.145~0.165m,转捩模型得到的分离泡的轴向位置为0.150~0.156m.LES可以再现复杂的瞬时流动细节,对于深入研究流动机理很有意义,而转捩模型尽管无法获得足够的流动细节,但是也能预测边界层的分离和转捩现象,并且结果与LES时均结果相差不大,对于工程应用很有价值.使用转捩模型计算Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动也获得了与实验值符合的结果.