CFD在螺旋桨飞机滑流影响研究中的应用

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了非定常滑流对某飞机巡航构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动,采用了动态重叠网格技术,并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率。将计算结果与试验结果相比较,在线性段,计算得到的升力系数与试验值总体偏差不超过2%,阻力系数相对试验值而言整体偏大,基本控制在8%左右,俯仰力矩系数的计算结果与试验值趋势一致。总结了滑流对螺旋桨飞机宏观气动特性的影响规律,由于滑流在空间发展过程中不断与周围空气相混合,使得滑流边界逐渐"模糊",因此滑流流管在空间发展过程中的巨大畸变对滑流影响的分析工作带来了难度。针对这种现象,本文将有/无滑流的流场进行对比,通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界,以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释由于滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象,初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点,在螺旋桨飞机非定常滑流影响机理研究方面具有一定的参考价值。     

基于动态重叠网格方法的尾翼对螺旋桨滑流的影响

螺旋桨飞机产生的滑流会对其扫掠过的部件产生显著干扰,研究尾翼部件对滑流的影响有助于将滑流与尾翼的干扰进行解耦分解。采用动态重叠网格方法模拟螺旋桨定轴转动,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程,数值模拟了某螺旋桨飞机带尾翼构型的有/无滑流状态,通过试验结果对计算方法的正确性进行了验证。在此基础上,分别开展了有/无尾翼构型的滑流计算,结果表明：扣除尾翼气动力后,有/无尾翼的升阻力变化规律基本一致,俯仰力矩由于机身后体修形不同呈线性平移关系;对比有/无尾翼空间切面的速度分布云图、不同空间位置和拉力系数下的下洗角和侧洗角变化曲线,发现尾翼对滑流的影响仅局限在其周围,不同拉力系数下尾翼的干扰规律也基本类似。通过研究认为,在飞机初期设计和选型阶段,螺旋桨滑流与尾翼的相互干扰,可简化为滑流单向对尾翼产生影响,尾翼对滑流的影响可以忽略。     

基于嵌套网格和计入尾迹影响的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用了由动量理论导出的远场边界条件和由尾迹诱导速度代入滑移条件而构造的新翼面边界条件。为减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,本文采用一种伪贡献单元搜寻法。应用上述方法进行了算例计算,给出了有无尾迹修正时的旋翼桨叶表面压力分布和沿展向升力分布的计算结果,并与可得到的实验数据进行了对比。此外,从计算的等涡量线图上分析了旋翼尾迹流场畸变的发展趋势,表明了Euler方程法在旋翼涡尾迹捕捉方面的能力。     

飞机外形网格拓扑和多块网格拼接技术

多块网格方法成功的关键在于网格拓扑的选择和块与决之间的拼接方法。针对真实飞机外形多块网格生成,本文分析研究了翼类和体类部件的各种网格拓扑;论述了翼身组合体的多块网格非结构连续拼接技术;指出连续拼接方法的缺点,以及相应的解决方法;同时,还讨论了分块策略和确保块与块之间网格线完全连续拼接的方法;通过实例进一步阐述了本文工作的另外一些独到之处。     

基于切割单元直角坐标网格的DSMC方法及优化技术

对传统直角坐标网格进行改进,根据计算机图形学对与物面相交的正方形网格进行切割,使单元与物面贴体,并能根据流场的变化对网格区域进行局部加密。结合直角坐标网格与非结构网格的特点,编写了自适应直角坐标网格的生成程序,并发展了基于切割单元直角坐标网格的直接模拟蒙特卡洛(Direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法。同时通过当地模拟分子数、动态时间步长技术优化DSMC方法,提升计算效率。数值结果表明,本方法在计算过程中使搜索效率得到大大提升,同时也保证了物面网格单元的贴体性,提高了物面附近流场的计算精度,还易于实现网格自适应。     

三维非结构网格的生成及其应用

采用阵面推进法生成了高质量的三维四面体非结构网格,该方法的特点是在生成单元的同时引入结点,与其他预布结点的方法相比,其好处是能更好地控制网格单元尺度在整个计算域的合理２并提高网格质量。用Ｄｅｌａｕｎａｙ方法连接存储有控制参数的结点生成了背景网格。网格生成过程中采用了合理的数据结构,有效地提高了程序运行效果,最后给出了Ｍ６机翼的数值算例。     

亚声速大迎角模型试验洞壁干扰修正方法研究

通过测量洞壁附近的压力分布来模拟透气壁试验段的洞壁边界条件,采用数值求解Euler方程的方法模拟模型在风洞中的绕流场,然后将洞壁边界条件用远场边界条件替换,用同样方法计算出模型在自由流中的绕流场,从而计算出洞壁干扰对模型的绕流场和气动力的影响。针对大迎角模型的洞壁干扰问题的特殊性,采用重叠网格技术,对飞机大迎角标模和SB-03模型进行了亚声速大迎角的洞壁干扰计算与修正。     

自适应网格局部加密方法在可压缩流场模拟中的应用

本文基于M.J.Berger和J.Oliger发展的自适应网格局部加密算法,它采用多个组合网格的思想,用于求解双曲型方程组。它结合显式有限差分格式,采用Richardson外推技术自动进行局部截断误差估计,对精度低的区域产生新细网格局部加密,或去除无需再加密的旧细网格,以最小的运算量达到给定的精度要求。网格可一层层加密下去,按层次覆盖,每个网格是有任意方向的矩形均匀网格。这套算法独立于求解所用的差分格式,很容易和各种格式结合。 我们从M.J.Berger和J.Oliger程序出发,参考M.J.Berger和P.Colella,对守恒型方程组,实现了粗细网格交接面上数值通量守恒,从而能计算间断解。对网格边界处理、误差估计和网格重新生成等做了一些改进,并且可以灵活地在任何感兴趣区域指定加密。 我们用不定常Euler方程组计算了带前台阶的二维管道中Mach-3流动,采用MacCormack显式附加人工粘性差分格式。共用了四层网格结构:Δ=1/10、1/20、1/80和1/320。其中基本网格是Δ=1/10;到台阶上第一次激波反射区域从Δ=1/20加密至Δ=1/80,计算到定常所需运算量仅是同等均匀网格△=1/80的28％;我们还用Δ=1/320网格对台阶拐角和切向间断处指定加密,结果表明可明显改善台阶上的激波Mach反射,切向间断清晰可辨,所需的计算量是上述均匀网格Δ=1/     

一种跟踪电网频率的新方法

基于正交变换,提出了一种新的电网频率跟踪方法.针对两种模型进行仿真,表明该方法能够较为精确与快速地跟踪电网频率,尤其针对突变频率的信号,具有较好的跟踪效果;同时算法克服了同步采样条件的限制,通过迭代,在不同初始频率下均具有较好的收敛性.     

基于易损面积分解的飞机多击中易损性评估的马尔可夫链法

 提出了一种适用于计算具有多组余度部件、部件之间任意重叠的飞机多击中易损性评估的马尔可夫链法。考虑到实际中飞机部件重叠广泛存在的特点，以基于概率的易损面积分解法为基础，通过确定飞机存在状态和计算状态转换矩阵，得出了通用的评估飞机易损性的计算方法。并对该方法编制了通用的计算机程序，进行了算例验证，结果与理论分析符合。实用中表明，所提出的方法通用性强，易于实现，解决了部件之间存在重叠情况的飞机多击中易损性精确计算问题。