混合网格方法在栅格翼数值模拟中的应用研究

栅格翼是采用一种蜂房结构设计的升力面和控制面,和传统舵面相比具有铰链力矩小、能在较大攻角下保持升力等特点,并得到了越来越广泛的应用。由于栅格尾翼的特殊结构,网格生成具有很大的难度。本文采用了结构、非结构混合网格的办法,在弹体和栅格翼的物面附近区域,生成适合粘性计算的大长宽比的结构网格,弹体网格和栅格翼网格之间采用非结构网格进行填充,满足非结构网格和结构网格交接面的完全对接。本文基于结构/非结构网格体系采用有限体积方法求解NS方程,对不同舵偏角下的栅格翼构形进行了数值模拟,并通过实验结果对数值方法进行了验证。     

带控制舵弹体气动特性分析

本文用数值模拟方法研究了带控制舵弹体的气动特性。该问题外形复杂，在控制舵和弹身之间会出现明显的缝隙。为了解决此类外形的气动力计算问题，我们发展了结构网格和非结构网格的混合网格技术。这样一方面充分发挥了贴体结构网格质量好、效率高的优点，另一方面充分发挥了非结构网格几何灵活性好、易于模拟复杂外形的优点。数值计算与风洞实验相当吻合，说明本方法具有良好的精度。最后对两种外形进行大量计算并进行气动特性分析，给出了静稳定特性和配平特性的研究结果。     

高超声速验证飞行器助推分离段流场数值研究

为了模拟有相对运动的多体非定常绕流，发展了基于弹簧近似的非结构动网格方法及耦合动网格的Euler解算器，作为方法验证，模拟了俯爷振动的NACA0012翼型绕流，计算结果与实验及文献结果非常接近。采用二维近似外形，对高超声速验证习行器助推分离段流场进行了数值研究，得到了不同时刻由于多体相对运动形成的干扰流场结构以及分离过程的气动力参数。     

矩形/非结构混合网格技术及在二维/三维复杂无粘流场数值模拟中的应用

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术,其中非结构网格仅限于物面附近,发挥非结构网格的几何灵活性,以少量的网格模拟复杂外形;同时在以外的区域采用矩形结构网格,发挥矩形网格计算简单快速的优势,有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。混合网格系统由修正的四分树（２Ｄ）／八分树（３Ｄ）方法生成。本文将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算,消除了全矩形网格模拟曲面边界的台阶效应,同时保证了网格间的通量守恒。该算法被成功地运用于ＮＡＣＡ００１２翼型的跨、低超声速绕流,二维弯管内运动激波的非定常流,以及三维捆绑火箭的超声速绕流的数值模拟。计算结果表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性。     

基于非结构动网格的非定常气动力计算

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法耦合求解基于Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)描述的欧拉方程,计算了谐和振动NACA0012翼型及矩形机翼的跨声速非定常气动力,计算结果与参考文献提供的结果及实验结果吻合良好。     

用非结构动网格方法模拟有相对运动的多体绕流

发展了用于模拟有相对运动的多体非定常绕流，并计算由流场决定的外弹道的数值方法。该方法采用非结构动网格，显式NND有限体 格式，求解非定常Euler方程，并耦合了刚体动力学方程，作为例证，计算了俯仰振动的NACA0012翼型绕流，计算结果与实验及文献结果吻合，最后，整个策略用于计算二维机翼－外挂物分离流场，并确定了外挂物下落轨迹。     

三维非结构网格的欧拉方程聚合多重网格法

介绍一种基于三维非结构网格的聚合多重网格技术,用于求解Euler方程定常解,加速收敛效果十分明显。求解Euler方程的基本算法采用有限体积中心差分格点格式。聚合多重网格技术按一定的规则将细网格的若干控制体积聚合在一起,组成一个较粗的网格。数值实验表明本文多重网格法十分有效。     

基于非结构动网格的跨声速非定常流场求解

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究.通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入防扭转、防挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进.采用改进后的方法并通过耦合求解了基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述的Euler方程,模拟了做谐和振动的刚性无后掠机翼及某翼身组合体的跨声速绕流.结果表明,改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量,且计算结果与实验结果吻合良好.     

A CFD-based numerical virtual flight simulator and its application in control law design of a maneuverable missile model

A CFD-based Numerical Virtual Flight (NVF) simulator is presented, which integrates an unsteady flow solver on moving hybrid grids, a Rigid-Body Dynamics (RBD) solver and a module of the Flight Control System (FCS). A technique of dynamic hybrid grids is developed to control the active control surfaces with body morphing, with a technique of parallel unstructured dynamic overlapping grids generating proper moving grids over the deflecting control surfaces (e.g. the afterbody rudders of a missile). For the flow/kinematic coupled problems, the 6 Degree-Of-Freedom (DOF) equations are solved by an explicit or implicit method coupled with the URANS CFD solver. The module of the control law is explicitly coupled into the NVF simulator and then improved by the simulation of the pitching maneuver process of a maneuverable missile model. A nonlinear dynamic inversion method is then implemented to design the control law for the pitching process of the maneuverable missile model. Simulations and analysis of the pitching maneuver process are carried out by the NVF simulator to improve the flight control law. Higher control response performance is obtained by adjusting the gain factors and adding an integrator into the control loop.     

三维Euler方程非结构自适应网格投影和光顺技术研究

研究了三维Euler方程非结构自适应网格的投影和光顺技术.以ONERA M6机翼为计算模型,非结构网格为计算网格,守恒变量的范数为自适应加密准则,对采用一般自适应计算策略得到的网格和数值结果进行了分析,并发展了一种考虑网格投影和光顺的自适应计算策略.数值试验结果表明:通过对自适应所生成网格的投影与光顺,实现了自适应计算过程中的几何保真性,获得了相对光滑的压力分布曲线.     

窄条翼布局导弹摇滚特性及流动机理

钝头体窄条翼布局导弹在大攻角下拥有极为优异的纵向气动特性,但横向容易失稳,做快速机动时容易诱发非指令的横向不稳定运动。通过开展高速风洞自由摇滚试验和数值模拟,研究了窄条翼导弹自由摇滚特性和流动机理,试验与计算吻合较好。研究发现:较大迎角时,窄条翼面积中心距离尾舵前缘根部5~6倍直径时,模型会进入极限环摇滚,窄条翼位置对模型稳定性有显著的影响,去掉窄条翼或尾舵时,模型均不会进入摇滚;模型空间流场特性表明,气流经过窄条翼时形成的片涡,对背风舵产生强烈的干扰,抑制了尾舵涡的形成和发展,使背风舵动态失稳,导致模型进入极限环摇滚。     

二维间断有限元混合网格混合算法研究

针对二维流场进行结构／非结构混合网格划分,在靠近物面处生成结构化网格,在结构化网格以外和远场之间以非结构化网格填充。使用间断有限元方法（DGM）离散Euler方程。在混合网格混合算法中,结构化网格区域使用结构DGM,非结构化网格区域使用非结构DGM,保证结构／非结构对接面处的通量守恒,并加入moment限制器消除激波前后伪震荡。对NACA0012和RAE2822翼型跨音速无粘流动的数值模拟结果说明了混合算法的有效性以及在捕捉间断方面的能力。     

高超音速飞行器前体优化设计方法研究

基于响应面法对高超音速飞行器前体进行气动优化设计,流场求解采用欧拉方程,并结合非结构动网格技术,便于适应复杂外形而且在每次外形改变后不必重新生成网格,有利于保证计算效率,响应面模型采用二次多项式来构造,数值结果表明由本文设计的前体/进气道布局结构简单,能获得更高的压缩率和总压恢复系数,以及更高的升阻比,该方法在多约束多目标条件下进行气动优化设计,设计质量较高,有一定的工程应用价值.     

一种改进的流场计算加速收敛方法

探讨了二维非结构网格无粘流场计算的加速方法。在对残差平均和多重网格这两种主要加速方法进行分析后,提出了一种改进的兼具多重网格思想的残差平均方法。经对绕NACA0012翼型无粘流动计算的验证,收效明显。在几乎不增加计算量的情况下,比原有的残差平均方法可减少迭代步25%～30%.该思想可推广用于三维、有粘流动计算和结构化网格中。     

环形弯扭静叶栅流场的计算与实验研究

本文应用S2流面正问题计算方法和三维Euler方程的时间推进计算方法对某涡轮弯扭静叶栅流场分别进行了分析计算, 并在环形涡轮叶栅实验台上测试了该叶栅出口截面上气动参数的分布。通过分析、比较计算结果和实验数据, 既考核了算法, 也研究了弯扭静叶栅中的流动机理, 由此得出了对弯扭叶片的气动设计计算具有重要意义的几点结论。      

非结构动网格在三维可动边界问题中的应用研究

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法并通过耦合求解基于(Arb itrary Lagrangian-Eu lerian ALE)描述的Eu ler方程,模拟了做谐和振动的刚性无后掠机翼及柔性M6机翼的跨音速绕流,计算结果与实验结果吻合良好。     

Euler方程的自适应多重非结构网格计算

介绍一种基于四面体网格的多重网格技术,用于求解三维Euler方程定常解,具有十分明显的加速收敛效果。求解Euler方程的基本算法采用有限体积中心差分格点格式。多重网格技术采用一组几何上相互独立的粗细不同的网格。流动变量、余量和修正量在相邻粗细网格间的相互传递通过线性插值实现。采用自适应技术对网格进行加密,可以获得较优的网格,并作为一套细网格,进行多重网格计算。数值实验表明本文自适应多重网格法十分有效。     

基于CFD的带控制舵导弹的动导数计算

介绍了基于计算流体动力学(CFD)的阻尼导数预测方法以及其在复杂带控制舵导弹外形的俯仰/滚转阻尼导数预测中的应用.方法采用求解三维非定常ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程加湍流模型的方法得到模型强迫运动的气动力时间历程,再通过绕模型非定常运动过程得到的气动力迟滞曲线计算得到俯仰及滚转阻尼导数.为了验证采用数值方法的正确性,针对基本带翼导弹外形,采用强迫模型按正弦形式振动,计算得到了超声速范围内马赫数从1.5到2.5的俯仰及滚转稳定性参数,通过与风洞试验及弹道数据结果的比较发现,两者吻合较好.      

考虑喷流效应的机载导弹发射及气动干扰数值模拟

研究比较了机载导弹发射时是否考虑导弹尾喷流情况下导弹运动特性及机-弹气动干扰影响.通过动态结构嵌套网格技术实现了导弹运动的模拟,结合刚体六自由度运动方程求解三维非定常Euler方程得到流场信息.导弹推力由发动机燃烧室喷流计算得到;当不考虑喷流效应时,推力通过直接在导弹尾部给定非定常作用力实现.应用此方法模拟了基于类"全...     

点隐式龙格-库塔方法的应用研究

为了提高求解器的效率,在显式龙格-库塔时间推进的欧拉方程求解器之上,发展了点隐式龙格-库塔时间推进格式。给出了其推导过程和非结构网格下中心格式和迎风格式（Roe和Van Leer格式）预处理算子的构造方法。NACA0012翼型和RAE2822翼型的跨音速无粘流动模拟表明：与显式龙格-库塔方法相比,方法能提高求解效率且内存需求相当,具有一定的工程应用价值。