CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.     

“计算流体力学高精度格式及其应用”专栏简介

正高精度格式是计算流体力学(CFD)研究的前沿方向。最近三十年来的研究成果已经显示了高精度格式在高保真预测关键流动结构和提高整体计算效率方面的优势。高精度格式在算法的几何、时空特征、效率、分辨率和鲁棒性方面仍有一系列尚待解决和改善的问题,需要开展进一步研究。本专栏反映了国内和海外专家在上述方面的最新成果,内容涵盖:时空关联算法的理论基础,有限差分方法的几何守恒律及色散耗散特性,有限体积方法的基于解的特性的非多项式重构及子网格重构,FR/CPR方法、气体动力学格式、以及二者的结合,多介质流动的界面算法等。此外,我们高兴地看到,     

湍流大涡数值模拟的现状与展望

近年来,随着计算机技术和计算流体力学(CFD)技术的发展,大涡数值模拟(LES)越来越多地应用于解决湍流流动问题.本文介绍了当前LES研究与应用的主要领域以及取得的成果,分析了LES的局限及实施的难点,并对LES未来的研究方向和重点进行了总结.     

WCNS格式在梯形翼高升力构型模拟中的应用研究

采用5阶精度的有限差分格式WCNS-E-5,对梯形翼高升力构型进行了数值模拟。研究了网格收敛性,WCNS格式对网格的依赖性更小。得到了与实验结果相一致的气动特性和压力分布。通过与一些著名CFD软件的计算结果比较表明,相比二阶格式,WCNS格式模拟高升力构型有明显优势,特别在失速迎角附近对流动结构的刻画更准确。同时,验证了程序对复杂外形的模拟能力和鲁棒性。     

计算流体力学非结构混合网格高精度格式研究现状

介绍了航空CFD技术中的非结构混合网格高精度格式的基本理论和方法,国内外研究现状,几种非结构混合网格高精度格式。     

直升机CFD仿真现状与发展趋势分析

传统直升机气动设计较多依赖升力线理论、涡流理论等工程分析方法,高性能计算使采用CFD方法开展"第一性原理"仿真成为可能.本文从旋翼运动特点出发介绍了直升机区别于固定翼飞机的一些特殊计算方法,指出当前CFD方法在直升机实际应用中存在的不足.在此基础上,探讨了国外先进直升机CFD软件的发展策略与技术途径,从多求解器耦合、网格动态自适应技术、高阶格式与湍流模型的选取、多学科耦合求解等四个方面分析了这些软件的特点与技术优势.最后就如何适应未来发展需要,提出了直升机CFD能力建设方面的几点建议.分析表明,直升机由于旋翼运动具有与操纵输入、结构变形相耦合的特点,分部件及单学科的CFD分析方法与真实飞行状态存在偏差,多学科耦合分析与旋翼尾迹的精细模拟应当是软件未来发展的重点.     

复杂流场的多块并行数值模拟

计算机的飞速发展及计算格式研究的不断发展,使CFD(计算流体力学)在飞行器性能分析及飞行器设计领域得到广泛应用,同时CFD自身也不断发展完善,与风洞实验、飞行试验一起成为飞行器设计的重要工具。     

翼身融合布局低速风洞试验研究

翼身融合布局(BWB)综合性能突出,是未来民用航空领域飞行器发展的必然趋势,研究BWB布局的气动特点及流动机理,对开展BWB布局设计具有重要的支撑作用。采用测力、丝线流动显示的风洞试验方法并辅以CFD方法,开展300座级BWB布局(BWB-1)低速气动特性、流动机理及通气发动机短舱影响研究。结果表明:与Early BWB、N2A布局相比,BWB-1具有更好的低速纵向气动性能,具有横向静稳定、航向静不稳定量值较小,航向增稳与控制难度较小等优点;揭示了布局的流动发展过程及具有和缓失速特性的物理原因;通气发动机短舱对提高最大升力及增加航向静稳定性有利,对横向静稳定性影响较小,但使得阻力和低头力矩增加;CFD纵向计算结果与试验基本一致,验证了CFD方法的有效性。     

CFD不确定度量化方法研究综述

随着计算流体力学(CFD)算法和软件的不断发展和完善,CFD数值模拟已经在涉及流体力学的各个领域发挥着日益重要的作用.不确定性因素在CFD计算过程中普遍存在,并且会对数值模拟结果造成影响.发展CFD不确定度量化方法,既能满足工程实践中对CFD可信度评估的需求,同时也能够支撑飞行器的精细化设计.本文旨在总结不确定度量化方法及其在CFD领域中的发展与应用.首先介绍CFD计算中的不确定性来源,以及不确定性的表现形式—随机不确定性和认知不确定性.然后按照不确定性的表现形式介绍对应的不确定度量化方法.最后介绍不确定度量化方法在CFD计算中的发展与应用,并且给出进一步开展不确定度量化工作的建议.     

基于CFD/CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性,发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD/CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和CSD的循环迭代实现了耦合计算。在CFD分析中,采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+-UP,并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中,通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例,计算了不同工况下流场总体与细节参数,与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究,计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振,其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明,流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素,同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的叶片发生失速颤振。     

跨流域高超声速绕流Boltzmann模型方程并行算法

通过对Boltzmann方程碰撞积分进行模型化处理,提出了统一描述各流域复杂高超声速流动输运现象的气体分子速度分布函数控制方程,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造出直接求解分子速度分布函数的气体动理论耦合迭代数值格式,研制了复杂飞行器高超声速绕流气动热力学计算模型。基于对气体动理论数值计算方法内在并行性、变量依赖关系、数据通信与并行可扩展性的分析研究,使用区域分解并行化方法提出了新型的气体动理论数值算法并行方案;研究了数据的并行分布与并行执行特征,开展了大规模的并行化程序设计,构造了可稳定运行于成千上万CPU的高性能并行算法,用以模拟各流域复杂飞行器的高超声速绕流问题。以稀薄流到连续流环境下不同Knudsen数、不同马赫数的可重复使用类球锥卫星体及翼身组合复杂飞行器等气动力、热绕流问题为研究对象展开大规模并行计算,并进行算法验证,所得计算结果与理论分析、直接模拟蒙特卡罗方法(DSMC)的模拟值及有关实验数据吻合较好,揭示了飞行器跨流域高超声速下的复杂流动机理与变化规律,提供了一条能够可靠模拟高超声速飞行器跨流域气动力及热问题的统一的算法应用研究途径。     

基于飞机油箱模型形状特征油量测量切片步长选择方法研究

 在分析飞机数字式油量测量过程中目前广泛使用的切片法油量测量原理的基础上,针对现有的定步长切片法无法得到准确、可靠的燃油质量特性数据库的缺陷,结合对飞机油箱模型形状特征的分析,提出了基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法。此方法包括切片步长整体和局部选择两个过程,整体选择以实现相邻两切片平面所夹油箱模型体积近似相等为目的来确定切片步长,以体现油箱模型截面整体变化规律;局部选择以设计切片平面与截面突变平面重合或尽可能接近的方式,突出油箱截面的局部变化特征。实验结果表明：该切片步长选择方法较定步长方法能够建立更为合理、可靠的燃油质量特性数据库,从而提高了油量测量精度。     

二维翼段颤振的μ控制

 采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振鲁棒抑制。针对作者设计的二维翼段颤振主动抑制系统，通过理论与实验相结合的方法，建立了考虑沉浮方向阻尼和作动器模型参数不确定性的控制系统模型，设计了μ控制器，并对控制器做了降阶处理。数值仿真和风洞试验表明，μ控制器可有效地抑制颤振的发生，将颤振临界速度提高23.4%。相对于H_∞控制器，μ控制器的控制效果和鲁棒性更好。     

Abnormal Shape Mould Winding

为解决网格化芯模的缠绕问题,本文提出了复合材料面片缠绕机理;接着详细分析了面片缠绕过程中的芯模凹曲面上纤维滑线和架空现象,应用微分几何曲面理论和空间几何理论,提出判据及其解决方案;最后,针对飞机发动机进气道的缠绕成型,编制缠绕控制程序并进行相应的实验,验证了面片缠绕方法的可行性。     

μ理论在电液负载模拟器中的应用

 研究μ理论在电液负载模拟器中的应用，提出电液负载模拟器的鲁棒控制策略。电液负载模拟器是一个复杂的机-电-液复合系统，且是一个强耦合、时变受控对象。综合考虑参数变化、模型变动和干扰等不确定性的影响，利用μ综合控制理论设计电液负载模拟器的鲁棒力控制器，并通过μ分析使用鲁棒力控制器时系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。给出使用鲁棒力控制器和经典力控制器时的实验结果，实验结果表明所设计鲁棒力控制器的有效性和优越性。     

基于H∞性能指标的质量矩拦截弹鲁棒控制

 以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，利用微分几何的反馈线性化理论，得到一个解耦线性系统，考虑到拦截弹的鲁棒性要求和3个滑块的协调控制问题，提出采用双回路的设计方法，内回路采用线性二次调节器（LQR），外回路采用考虑混合灵敏度问题的H_∞控制设计。仿真结果证明了该方法动态性能满足设计要求，同时对系统参数的不确定性具有较强的鲁棒性。     

航天器返回地球的气动特性综述

航天器返回地球的飞行过程中,气动特性是实现将宇宙飞行速度减到落地前速度、保证再入飞行得到有效控制以及再入防热安全可靠的关键因素。针对简单旋成体气动外形、半弹道式再入控制、烧蚀防热类返回航天器,综述了返回地球过程中变化的空气流域特性、航天器周围的气体绕流环境、空气与航天器作用产生的动力学与热效应等。系统地给出了该类航天器的再入气动特性参数与飞行性能的共性规律,包括:气动阻力与再入减速、气动升力与再入轨迹控制、配平攻角与飞行稳定性、气动加热与防热,以及再入过程中不同气动特性航天器、气象条件变化等对再入飞行性能的影响规律。为航天器开展返回飞行过程的跨流域气动性能工程研制提供设计参考。     

基于马赫数分布可控曲面外/内锥形基准流场的前体/进气道一体化设计

提出了一种高超声速飞行器乘波前体的外锥形基准流场设计方法,在锥面马赫数分布规律给定的条件下,通过有旋特征线法实现反设计,提高了基准流场设计的灵活性。该基准流场通过锥形"下凹"弯曲激波和波后等熵压缩波系压缩气流,可以在较短的长度内完成高效压缩。基于反正切马赫数分布外锥形基准流场设计的乘波前体具有较高的容积率,乘波特性良好且出口均匀,设计点时有黏升阻比为1.89。另外,基于该乘波前体和马赫数分布可控的内收缩进气道给出了一种双乘波的前体与进气道一体化设计方案,实现了内外流分别独立乘波,充分发挥了乘波前体和内收缩进气道的各自优势。     

Enhancing the efectiveness of film cooling

Advanced gas turbine stages are designed to operate at increasingly higher inlet temperatures to increase thermal efficiency and specific power output.To maintain durability and reasonable life,film cooling is needed in addition to internal cooling,especially for the first stage.Film cooling lowers material temperature by forced convection inside film-cooling holes and by forming a layer of coolant about component surfaces to insulate them from the hot gases.Unfortunately,each cooling jet forms a pair of counter-rotating vortices that entrains hot gas and causes the film-cooling jet to lift off from the surface that it is intended to protect.This paper gives an overview of efforts to enhance the effectiveness of film-cooling.This paper also describes two new design concepts.One design concept seeks to minimize the entrainment of hot gases underneath of film-cooling jets by using flow-aligned blockers.The other design concept shifts the interaction between the approaching hot gas and the cooling jet to occur further above the surface by using an upstream ramp.For both design concepts,computational fluid dynamics results are presented to examine their usefulness in enhancing film-cooling effectiveness.      

Potentials of manufacture and repair of nickel base turbine components used in aero engines and power plants by laser metal deposition and laser drilling

IntroductionExpensive turbine parts like HPT(HighPressure Turine)blades or vanes are replaced bynew parts in case of damage.For example theburn through of the inner side of a blade or vane(Figure 1)is a frequently appearing damage,which cannot be repaired…