基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析

为提高直升机前飞状态下旋翼非定常气动弹性载荷的预估精度,在旋翼气动弹性综合分析方法中引入旋翼CFD模块,建立了一套基于CFD/CSD松耦合分析的计算方法和程序。为高效解决流固耦合方法中由于桨叶挥舞、扭转等弹性变形带来的旋翼贴体网格变形问题,采用基于代数变换方法的网格变形技术,桨叶运动变形量和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。旋翼流场分析方法中,主控方程采用耦合S-A湍流模型的Navier-Stokes方程,围绕旋翼流场的网格采用结构嵌套网格方法生成,无黏通量计算采用Roe格式,时间推进采用双时间法。旋翼结构分析中,考虑旋翼配平,基于Hamilton变分原理和20自由度Timoshenko梁模型求解弹性旋翼非线性运动方程。分别对CSD和CFD方法进行验证,在此基础上,计算了SA349/2旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动力、挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩,并与飞行测试数据进行了对比。计算表明:CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,精确捕捉桨叶表面压强峰值、激波位置等,表明本文发展的旋翼CFD/CSD耦合方法可以有效地运用到旋翼气动弹性载荷的预测分析中。     

基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

为开展非线性气动弹性研究,基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器,开发了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序.该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形.为提高RBF方法的效率,构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法.在多次插值过程中,每次插值的对象为上次插值的误差,并同时限制插值区域,以此实现了空间待插值网格数的精简.数个网格变形的算例表明该方法可支持大变形运动,并且具有较高的计算效率.采用此程序开展了AGARD 445.6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真,结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时,结构非线性对于气动弹性有显著影响.     

基于CFD/CSD耦合方法的新型桨尖旋翼气动弹性载荷计算

为提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,在刚性旋翼计算流体力学(CFD)方法中引入计算结构动力学(CSD)方法,建立了一套适合于新型桨尖旋翼气动弹性载荷分析的CFD/CSD耦合方法。旋翼流场分析采用NavierStokes/Euler方程作为控制方程,围绕旋翼生成运动嵌套网格。在流场求解中,采用双时间法推进,通量计算采用Jameson中心格式,并采用B-L(Baldwin-Lomax)湍流模型。基于Hamilton变分原理和中等变形梁理论开展桨叶弹性运动变形分析,并发展了一套具有任意转角梁单元的新方法以提高新型桨尖旋翼的动力学分析精度。采用基于代数变换方法的网格变形策略,建立了一套CFD/CSD松耦合方法,桨叶运动变形和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。首先分别对CSD和CFD模块进行了验证,然后计算了UH-60A旋翼在高速前飞状态下的气动弹性载荷,并与试验值进行了对比,最后重点对旋翼桨尖形状进行了参数分析。计算结果表明,相比于升力线理论和刚性旋翼CFD方法,CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,并能更准确地反映新型桨尖旋翼的气动弹性耦合效应;同时采用后掠桨尖在桨叶前行侧30°~90°方位角范围可以显著降低激波强度,有利于改善旋翼的气动特性。     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

叶轮机气弹耦合方程求解的时间推进方法评估

为了提高叶轮机颤振预测时的计算效率,同时兼顾求解的稳定性,有必要选取最适合的时间推进方法。基于降阶结构 动力学方程的双向流固耦合方法常用于压气机气弹性能分析,针对气动弹性控制方程中结构动力学方程考查了多种时间推进方 法对计算结果的影响。通过单自由度弹簧系统的数值求解探讨了不同时间推进方法的特点;选取实际压气机算例NASA Rotor 67 进行颤振流固耦合分析,进行大量数值试验找到了各时间推进方法需要的最大时间步长,以此为依据对比出不同时间推进方法的 计算效率。结果表明：采用单自由度弹簧系统和压气机颤振耦合求解得出的结论基本一致,说明时间推进方法的性能更多地与方 法本身的数学性质有关,但是流固耦合求解时流场和结构的信息交互会带来一定影响。以实际颤振算例叶片瞬态响应振幅的对 数衰减率作为衡量精度的标准,经典龙格-库塔方法是颤振耦合计算达到相同精度耗时最少的方法,其次是4阶隐式Adams方法 和Newmark方法。     

基于本征正交分解技术的高效气动弹性耦合计算方法

将降阶非定常涡格法与结构动力学方程耦合,构造出一种高效的气动弹性计算模型。计算模型中通过引入伪时间步迭代实现了气动与结构计算的紧耦合。另外,通过本征正交分解方法实现了计算模型的降阶。作为方法验证,文中将该方法应用于进行沉浮振荡运动的柔性薄板的气动弹性计算。计算结果表明,仅通过前7个POD模态就可以对涡格法的全模型进行很好的近似,并且该方法在损失很小精度(约1%)的条件下可以实现计算速度的大幅提升(约10倍)。在本文中,降阶模型在POD分析的样本变化范围内和变化范围外都有很好的表现。     

一种高效高精度的气动弹性结构优化方法

气动弹性结构优化技术主要包括约束求解和优化算法两个方面的内容。针对常用的基于低阶面元法的静气动弹性分析方法计算效率高但精度低的特点,建立了一种高效高精度的基于高阶面元法的静气动弹性分析方法。针对当前气动弹性结构优化技术使用单一优化算法导致搜索精度低、收敛速度慢等特点,将遗传算法和分形算法进行结合,发展了一种遗传/分形混合算法。针对气动弹性结构优化计算时间长、设备要求高等特点,引入了Kriging代理模型方法来加快优化速度,减少时间和设备的耗费。最后以某大展弦比客机机翼为算例,采用基于高阶面元法的静气动弹性分析方法求解约束响应样本,用Kriging代理模型方法对约束响应进行模型构建和预测,并将Kriging代理模型和遗传/分形混合优化算法进行结合,构建了一种高效高精度的静气动弹性结构优化方法。优化分析结果表明,Kriging代理模型在静气动弹性响应预测上具有很高的精度,平均误差均在5%以下,副翼效率预测的平均误差甚至低于1%;遗传/分形混合算法相比于单一的遗传算法具有更快的收敛速度和更强的全局寻优能力。     

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.     

非线性谐波法在叶轮机械非定常计算中的应用

非线性谐波法(NLH)进行叶轮机械非定常计算,具有占用资源少、计算时间短等优点,本文探讨了该方法在叶轮机械三维瞬态非定常流场计算中的应用。采用非线性谐波法和传统双时间步法对跨风速风扇和液力涡轮分别进行非定常计算分析。分析表明,在相同计算机硬件条件下,两种方法达到相同的计算精度,非线性谐波法可节省40%的计算时间。探讨了关键参数谐波阶次对计算精度的影响,结果表明,对于高雷诺数进口条件下的跨风速风扇采用三阶谐波逼近即可达到与传统双时间步法相当的计算精度;对于低雷诺数进口条件下的不可压缩液力涡轮,采用二阶谐波逼近即可达到与双时间步法相当的计算精度。     

低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应

建立了一个新的非线性气动弹性模型,对低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应特性进行了分析。建模中考虑了结构几何非线性、气动力非线性以及两者之间的强耦合效应。通过实验数据对所建立的气动弹性模型进行了验证。发现在低速流场中柔性悬臂板可能会以周期加倍的方式进入混沌运动。结构几何非线性效应和翼尖涡引起的非定常气动力效应对柔性悬臂板的结构响应有显著影响,而尾涡变形引起的非定常气动力对结构运动的影响较小。还研究了不同耦合算法的差异,给出了小展弦比大柔性结构非线性气动弹性数值仿真时耦合策略的选择依据。     

非线性壁板颤振分析

利用一种改进的计算流体力学与计算结构动力学(CFD/CSD)耦合方法研究了由气动和结构几何非线性引起的壁板颤振问题。在非定常气动力计算中,考虑了通量分裂格式、隐式时间推进方法和几何守恒律;二维和三维壁板的结构几何非线性建模则采用了有限元的协同旋转理论,并利用一种近似能量守恒算法求解结构的非线性响应。流场和结构求解器采用二阶松耦合方法联立求解,并将其应用于壁板在超声速、跨声速和亚声速的颤振计算中。当考虑结构几何非线性和气动非线性时,出现了典型的极限环振荡现象,并对颤振边界和极限环振荡幅度进行了对比分析。     

Simulation of 3D parachute fluid–structure interaction based on nonlinear finite element method and preconditioning finite volume method

A fluid–structure interaction method combining a nonlinear finite element algorithm with a preconditioning finite volume method is proposed in this paper to simulate parachute transient dynamics. This method uses a three-dimensional membrane–cable fabric model to represent a parachute system at a highly folded configuration. The large shape change during parachute inflation is computed by the nonlinear Newton–Raphson iteration and the linear system equation is solved by the generalized minimal residual(GMRES) method. A membrane wrinkling algorithm is also utilized to evaluate the special uniaxial tension state of membrane elements on the parachute canopy. In order to avoid large time expenses during structural nonlinear iteration, the implicit Hilber–Hughes–Taylor(HHT) time integration method is employed. For the fluid dynamic simulations, the Roe and HLLC(Harten–Lax–van Leer contact) scheme has been modified and extended to compute flow problems at all speeds. The lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LUSGS) approximate factorization is applied to accelerate the numerical convergence speed. Finally,the test model of a highly folded C-9 parachute is simulated at a prescribed speed and the results show similar characteristics compared with experimental results and previous literature.     

复合喷管热结构耦合计算的一种策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体动力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种策略.利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面问高温碳化带来的边界非线性因素.计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高...     

复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

增程制导航弹绕流场数值模拟

研究某增程制导航弹绕流场的结构,为气动特性分析和外形改进提供依据。以三维N-S方程为主控方程,引入S-A一方程湍流模型,对某增程制导航弹的绕流场进行了数值模拟,给出了流场图像和气动特性计算结果,并将CFD计算结果与试验结果进行了比较分析。CFD计算结果与试验结果吻合良好,验证了所采用CFD方法的准确性和有效性,数值模拟结果已得到应用。     

基于降阶模型的气动弹性主动控制律设计

流体/结构耦合数值模拟是目前解决复杂气动弹性问题精度最高的方法。但由于计算效率比较低,模型阶数过高,不能直接用于气动弹性系统的主动控制律设计。为了对主动控制系统设计提供高效高精度状态空间模型,研究了气动弹性系统的时域正则正交分解(POD)/降阶模型(ROM)方法,并引入平衡截断(BT)技术进一步降低时域POD/ROM的阶数,从而有效克服了时域POD/ROM阶数过高的缺点。在此基础上建立了基于POD-BT/ROM的气动伺服弹性降阶方程。以AGARD445.6机翼为例,说明了时域POD/ROM建模的各个细节,并将其用于气动弹性主动控制律的设计。计算结果表明,POD/ROM具有接近计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)耦合计算的精度,同时又大大提高了计算效率约1～2个量级,是一种高精度高效率的气动弹性主动控制系统设计工具。     

Intelligent modeling and identification of aircraft nonlinear flight

In this paper, a new approach has been proposed to identify and model the dynamics of a highly maneuverable fighter aircraft through artificial neural networks（ANNs）. In general, aircraft flight dynamics is considered as a nonlinear and coupled system whose modeling through ANNs, unlike classical approaches, does not require any aerodynamic or propulsion information and a few flight test data seem sufficient. In this study, for identification and modeling of the aircraft dynamics, two known structures of internal and external recurrent neural networks（RNNs） and a proposed structure called hybrid combined recurrent neural network have been used and compared.In order to improve the training process, an appropriate evolutionary method has been applied to simultaneously train and optimize the parameters of ANNs. In this research, it has been shown that six ANNs each with three inputs and one output, trained by flight test data, can model the dynamic behavior of the highly maneuverable aircraft with acceptable accuracy and without any priori knowledge about the system.     

基于CFD/CSD的非线性气动弹性分析方法

提出了一种基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)的非线性气动弹性分析方法,并应用于切尖三角翼的非线性颤振和极限环振荡(LCO)研究。该方法将非线性有限元(FEM)和CFD计算相结合,并辅以高精度的界面插值,能够分析结构和气动非线性共存的气动弹性问题。结构部分以四边形平板壳元为基础,采用更新的拉格朗日(UL)方法分析结构大变形引起的几何非线性问题。气动部分以Navier-Stokes(N-S)方程作为控制方程,采用CFD方法计算跨声速气动力。机翼的非线性颤振计算表明了方法的有效性。最后应用该方法研究了切尖三角翼的LCO现象,其计算精度明显优于已有结果。     

用于非线性有源天线的耦合锁相环特性分析

为实现非线性有源天线阵波束扫描,研究了互耦锁相环(PLL)的基本特性。通过对互耦PLL的相位动力学方程的稳定性进行分析,建立了具有延时的阵列模型;通过调节环路延时,互耦PLL不同的非线性动力学特性;采用四单元的耦合锁相环阵列实验电路对理论分析进行了验证,从而提出了在设计基于耦合锁相环的非线性有源天线时,必须对环路延时进行控制,防止环路出现振荡和混沌现象。     

CFD数学模型的线性化方法及其应用

计算流体力学(CFD)方法不仅仅起到数值模拟的作用,它本身是一个复杂的非线性系统。在流动稳定性分析、气动弹性分析、优化设计以及流动控制等领域,从系统的角度出发,对CFD数学模型线性化后,可以对模型的系统矩阵进行定量分析获得更多的系统特性。但是CFD数学模型往往非常复杂且阶数很高,因此其线性化系统矩阵的获得比较困难。鉴于此,采用人工编程和自动微分相结合,构造有限体积法并行CFD模型的线性化系统矩阵。其中自动微分只被用来得到每个界面通量的局部雅可比矩阵,而采用人工编程方法来实现并行环境下的稀疏雅可比矩阵的组装。线性化系统的并行求解采用了块雅可比预处理的广义最小残量法,每个并行进程内部则采用零填充不完全LU分解预处理。为了验证这种线性化方法,上述方法被用于:① NACA 0012翼型的非定常绕流线性系统构造与求解;② NACA 0012翼型稳态流动的伴随方程构造与求解;③ AGARD wing 445.6机翼颤振问题降阶建模。上述三个算例的结果与CFD模拟的吻合一致。