Starship新型舵面形式气动特性数值模拟

作为新型垂直起降的载人航天器,Starship采用了新型舵面控制方式,其通过前后两组可沿轴线方向偏转的翼面来实现对机体的控制。通过CFD数值模拟手段对该种舵面形式的气动特性进行了系统研究,得到了该种舵面偏转方式对飞行器升阻力和三轴力矩的影响,并分析了其内在机理。在小攻角下,Starship后翼为操纵面,其偏转对控制力系数的影响较为显著,偏转角度与控制力系数基本成线性关系;前翼偏转则对阻力系数的影响较为显著,偏转角度与阻力系数基本线性相关。后翼偏转角与俯仰力矩系数和滚转力矩系数的线性相关性较好,对偏航力矩系数也有耦合影响。前翼的偏转对偏航力矩系数的影响显著,同时与滚转力矩系数和俯仰力矩系数的耦合较小。在大攻角下,尤其是在着陆阶段攻角大于90°的情况下,传统的襟副翼控制方式失效概率高,而新型舵面控制形式前翼和后翼偏转与三轴力矩系数的相关性仍非常强。其对于俯仰通道、滚转通道和偏航通道均能保持良好的操纵特性。     

基于虚网格的格心ADT搜索法

针对重叠网格寻点问题,提出了一种直接在格心网格下操作,基于虚网格的ADT(Alternating Digital Tree)搜索方法.通过对计算网格进行扩展,建立虚边界网格,解决了格心网格因覆盖区域不完整而无法直接建立ADT数据结构的问题.搜索结果即为包含解的格心单元集合,可直接对结果列表遍历以得到合理贡献单元,故完全摒弃了可靠性差的Stencil Walk方法.由虚网格的定义,使寻点在边界附近的处理更为灵活,可以准确给出边界附近贡献单元的有效信息,同时简化了虚网格体系的构建.扩展了重叠边界类型,构建的搜索空间能完整覆盖网格范围,解决了对称面重叠问题.算例研究表明:该方法可靠性好,边界处理能力强,有效提高了重叠网格方法对大型复杂网格的解算能力.     

DDES延迟函数在超声速底部流动中的性能分析

DDES是广泛应用的一类RANS/LES混合方法,其通过引入延迟函数保证近壁区的RANS模化,对分离流动十分有效。目前DDES已发展了多种不同的延迟函数,但对各延迟函数的性能特点认识尚不够充分,尤其缺乏超声速流动中的相关研究。围绕DDES方法中不同延迟函数开展研究工作,选取超声速底部流动作为测试算例,通过与实验数据的系统对比分析,考察不同延迟函数在超声速分离流动中的分布规律、作用效果及模型求解能力。研究表明,不同延迟函数作用范围与求解能力存在差异,其中DDES-F1能够在起到保护作用的同时不损害模型的求解精度,对该流动较为有效,所得结果与实验数据吻合较好。     

类Starship飞行器大迎角动态特性数值研究

再入飞行器的动态稳定性是其任务成败的关键因素,因此有必要对新型类Starship飞行器大迎角动态特性进行深入研究。为辨识动导数,采用基于分区弹簧近似法动网格技术的非定常N-S方程求解器开展强迫振动的数值仿真。有限体积离散采用Roe格式及SST湍流模型,时间方向采用全隐式GMRES方法进行迭代求解。在高超声速弹道外形（Hyper ballistic shape,HBS）标模验证的基础上,获得了类Starship飞行器典型大迎角状态下不同飞行马赫数、重心位置、操纵面偏转角、迎角和减缩频率的俯仰动导数变化规律：典型状态下,俯仰动导数超声速时为负,亚声速时为正;随不同因素的变化,Ma=0.3和Ma=5.0时的俯仰动态特性差异明显;高速下操纵面上偏会导致阻尼减小,且后翼影响更显著。计算结果表明了本文方法在宽速域、大空域复杂外形飞行器动态特性辨识中的应用价值。     

PANS方法在双圆柱绕流数值模拟中的性能分析

PANS方法以传统的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为模板,引入控制参数对原方程进行修改,是一类能够有效模拟分离湍流流动的混合方法.采用基于Menter 剪切应力输运(SST)湍流模型的PANS方法,选取双圆柱绕流作为研究对象, 分析双圆柱流动结构,验证方法的准确性与可靠性,考察PANS方法中模型参数选取对于计算结果的影响,评估不同类型PANS方法的性能.研究表明:模化湍动能比例这一模型参数对计算结果有显著影响,且计算域内统一的模型参数取值难以处理复杂流动问题.在此基础上使方法中模化湍动能比例取值随流场物理信息和网格尺度变化,所得结果与SST DES计算结果及实验结果吻合较好,表明该方法适用于复杂湍流数值模拟.