高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

发动机短舱内外流场与结构温度场耦合计算

采用CFX软件,利用SST k-ω湍流模型,同时引入了辐射模型考虑热辐射的影响.采用CFX的共轭传热方法,在流体域求解N-S方程,固体域求解热传导方程,然后在流固耦合交界处交换数据,实现了流场与结构温度场的耦合数值分析.为了验证此方法的正确性,对文献中轴对称喷管进行了数值模拟,所得喷管壁温与试验数据吻合良好;另外进行了高超声速钝体流场与结构温度场的耦合计算,计算所得激波位置与试验结果一致,固壁非定常温度场分布与文献结果吻合.在此基础上,进行了航空发动机短舱内外流场与结构温度场耦合的数值研究,并得出了几个短舱外表面蒙皮冷却的可行性措施,为飞行器红外隐身设计提供参考.     

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟

浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS)在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。     

尖拱弹身横向喷流数值模拟

本文通过数值求解层流Navier—Stakes方程来模拟超声速流场中横向超声速喷流的干扰流场，采用分块对接网格和“O”型网格技术，精确模拟喷口截面形状并生成高质量的贴体计算网格，对尖拱弹身的横向超声速喷流的干扰流场进行了数值模拟，研究了喷口附近的流场结构、涡系结构、波系结构及流动分离等流场特性，得到喷流流场的干扰效应，计算结果与实验值吻合较好。     

电磁阀动态特性的流固耦合模拟研究

为了研究液体火箭发动机高压供气系统中电磁阀的动态特性,采用流固耦合方法对电磁阀进行数值模拟。结构采用单自由度质量弹簧阻尼动力学模型描述,纽马克算法(The Newmark Method)求解。流场控制方程为非定常Euler方程,采用弹簧近似动网格的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)有限体积法求解。应用新型流固界面算法,采用"虚拟挡板通气"技术实现电磁阀开启/关闭引起的流场拓扑变化。数值模拟讨论了影响电磁阀动态特性的设计因素。模拟发现,存在19%能量损耗的主阀-气缸碰撞模型相对无损耗模型使阀门开度达到稳定状态的时间缩短一半,表明碰撞模型是电磁阀动态特性的重要影响因素。     

两种高超声速一体化构型的气动性能对比分析

高超声速飞行器目前已经成为世界各大国航空航天发展的主要目标之一。以美国X-43A和X-51两高超声速飞行器为研究对象,对两类飞行器气动性能进行了数值模拟,并以此为基础对比分析了两类高超声速飞行器的一体化气动特性。研究结果表明：燃料入射角对飞行器的稳定性（包括俯仰力矩、滚转力矩）和气动力影响剧烈,在相同的燃料入口条件下（...     

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术（SL）加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6-0.85范围内的气动力测量试验。试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考。     

Computational aerodynamic analysis on perimeter reinforced （PR）-compliant wing

Abstract Implementing the morphing technique on a micro air vehicle （MAV） wing is a very chal- lenging task, due to the MAWs wing size limitation and the complex morphing mechanism. As a result, understanding aerodynamic characteristics and flow configurations, subject to wing structure deformation of a morphing wing MAV has remained obstructed. Thus, this paper presents the investigation of structural deformation, aerodynamics performance and flow formation on a pro- posed twist morphing MAV wing design named perimeter reinforced （PR）-compliant wing. The numerical simulation of two-way fluid structure interaction （FSI） investigation consist of a quasi- static aeroelastic structural analysis coupled with 3D incompressible Reynolds-averaged Navier- Stokes and shear-stress-transport （RANS-SST） solver utilized throughout this study. Verification of numerical method on a rigid rectangular wing achieves a good correlation with available exper- imental results. A comparative aeroelastic study between PR-compliant to PR and rigid wing per- formance is organized to elucidate the morphing wing performances. Structural deformation results show that PR-compliant wing is able to alter the wing＇s geometric twist characteristic, which has directly influenced both the overall aerodynamic performance and flow structure behavior. Despite the superior lift performance result, PR-compliant wing also suffers from massive drag penalty, which has consequently affected the wing efficiency in general. Based on vortices investigation, the results reveal the connection between these aerodynamic performances with vortices formation on PR-comoliant wing.     

火箭橇系统的摩擦力分析与计算

根据火箭橇动态试验非线性和非定常特点，以及火箭橇与轨道的摩擦特性，对某型火箭橇系统进行了动力学分析、建模和流场数值模拟，界定了不同运动状态的动力学特点，得到了系统的气动力特性。研究结果表明:在60～90m/s速度条件下，该型火箭橇阻力系数约为0.58，升力系数约为0.003，气动力主要表现为气动阻力，升力与火箭橇自重相比相对较小，约占自重的0.5%～1.2%。同时结果表明，火箭橇运动速度是影响摩擦因数的主要因素，摩擦因数随运动速度的增大而减小。在数值模拟和试验数据基础上，确定了幂函数形式的摩擦因数计算公式，公式以运动速度为底数，系数为2.554，指数为-0.756。并在多种工况下，对火箭橇运动参数进行预测和验证，与试验数据符合良好。      

无人机气动力地面车载测试系统

介绍了中国航天空气动力技术研究院开发的一种用于测量全尺寸无人机气动力的地面车载测试系统（GTV）。车载测试系统采用一辆中型卡车进行相关改造,将试验无人机机身安装在其顶部,通过汽车牵引能够达到40km/h的速度。一套专用的测试天平系统和数据采集系统用于记录试验中无人机产生的升力、阻力以及俯仰力矩等数据。主要介绍测试天平系统的设计,数据采集测试系统,测试方法和试验结果。多元静态原位校准加载结果表明天平测试系统输出信号线性度以及重复性较好。动态校准试验采用一副定常展弦比6的机翼进行,试验结果与已知的风洞试验数据进行了比对。车载测试系统试验结果的升力和俯仰力矩数据不同车次之间重复性较好,并且与风洞试验数据基本一致。但阻力数据的离散度要比风洞试验时大得多,并且试验结果比风洞试验时偏小一些,试验证明地面车载测试系统的阻力测量难度较大。     

升力体飞行器尾喷流模拟气动力试验方法研究

尾喷流对升力体高超声速飞行器的气动特性影响显著,风洞喷流模拟测力试验是研究升力体飞行器尾喷流干扰效应的重要手段。在尾喷流模拟气动力试验中,选取恰当的喷流模拟参数,以及克服喷流供气管路对天平测力的干扰以提高测量精准度,是需要解决的关键技术。在 CARDC 的Ф1米高超声速风洞中,研究了采用冷喷流模拟、飞行器整体模型测力的升力体飞行器尾喷流模拟测力试验方法。通过优化模型结构设计、选用小干扰的喷管分断缝隙密封措施,解决了带尾喷流模拟条件下的升力体飞行器气动力精确测量问题,提高了带喷流气动力试验数据精度,接近常规气动力试验的水平。     

汽车超车过程的空气动力特性研究

采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟。通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响。研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律。通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟。     

超燃冲压发动机尾喷管进口气流角畸变研究

为探索气流角畸变对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,本文开展了喷管在单一气流角畸变和耦合畸变进口条件下的数值模拟研究。首先简要介绍采用的数值模拟方法,并根据实验结果校核数值方法的有效性。同时为得到准确的数值结果,进行了网格无关性研究。然后,通过数值模拟获取超燃冲压发动机燃烧室出口气流参数,用于研究气流角畸变对喷管性能的影响并讨论了其影响规律。在此基础上,进一步研究了气流角畸变与马赫数畸变相互耦合对喷管气动性能的影响。结果表明,气流角畸变对推力影响很小：推力系数变化仅为0.37%;但对升力和俯仰力矩影响显著,相应增幅分别可达51.84%和12.11%。此外发现气流角畸变和马赫数畸变对喷管气动性能的影响是相互独立的。因此在超燃冲压发动机喷管的相关研究过程中,有必要对气流角畸变加以考虑。另外还需要关注由于气流角畸变导致的喷管升力和俯仰力矩变化对飞行器整体稳定性的影响。     

Gurney Flap绕流气动特性研究

采用C-H型多块结构网格和SST k-ω湍流模型求解二维定常雷诺平均NS方程,对NACA4412单段翼型后缘附近和NACA63(2)-215B多段翼型襟翼后缘附近的Gurney Flap绕流进行了数值模拟。讨论了局部网格对计算结果的影响,重点研究了Gurney Flap位置和高度对气动特性的影响。计算结果表明:对于NACA4412单段翼型,Gurney Flap位置对气动性能的影响较小,但随着高度的增加,零升攻角和失速攻角减小,最大升力系数增大,同时阻力系数和力矩系数增加;对于NACA63(2)-215B多段翼型,Gurney Flap对气动性能的影响类似于NACA4412单段翼型情形。     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。