CFD软件自动化验证确认云平台设计与实现

针对大型计算流体力学(CFD)软件的验证与确认,为了减少人工成本,提高软件质量和开发效率,并适应于未来高性能计算发展的要求,基于云计算思想,提出了自动化测试云平台的解决方案。该方案采用模块化的浏览器/服务器(B/S)网络架构;利用LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP/Python)开发工具;建立了持续集成的专业数据库;构建了涵盖可靠集群监控、复杂作业调度及大规模并行计算功能的云端环境;实现了通过便捷的网络访问,自动加载测试算例、提交集群计算、监测实时进度、自动化后处理、输出分析结果,并提供丰富的实验对比图、误差分析报表和汇总报告等;完成了对大型CFD软件的自动化验证与确认。将该方案应用于某大规模并行计算的CFD软件,验证了该解决方案的可行性与实用性。     

类X-51A飞行器非定常湍流精细模拟

针对类X-51A飞行器在超声速大迎角状态下存在的大范围非定常分离流动,开展了精细化湍流数值模拟研究。计算基于高阶格式下的延迟分离涡模拟方法（DDES）,来流马赫数为2.5,迎角为10°。分析了该复杂流场中存在的分离流动现象、分离流动诱导的气动特性变化规律以及压力脉动特点;其中重点研究了壁面压力脉动强度分布情况和监测点压力脉动频谱特性。分析结果表明:飞行器大迎角飞行时从侧缘诱导出明显的分离涡,并对尾部舵面产生干扰;受干扰尾舵表现出明显的非线性及非定常气动特性;分离涡的存在导致飞行器尾舵前缘等位置的壁面压力脉动显著增强,200~300 Hz的低频高幅值脉动可能会导致结构破坏。      

减阻杆与环形喷流组合构型钝头降热数值模拟

针对单一减阻杆构型在有迎角来流条件下降热效果急剧下降的问题,提出了减阻杆和环形喷流组合构型的降热方案,对减阻杆和环形喷流组合构型进行不同来流和喷流条件下的数值模拟,得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：在组合构型的流场中,喷流受减阻杆后低压区的影响,未直接与自由来流作用,喷流压比从0.05至0.40,组合构型流场未出现长穿透模态和短传透模态转变,流场结构更为稳定;喷流包覆了减阻杆和钝头体壁面,再附激波和分离激波被推离壁面。0°迎角来流条件下,小喷流压比也有好的降热效果,喷流压比为0.05可以使减阻杆构型钝头体的壁面热流峰值降低到原来的一半以下;单一减阻杆构型在有迎角来流条件下,分离激波和再附激波直接作用在钝头体壁面上,钝头体壁面热流急剧上升。组合构型在有迎角来流条件下有明显的降热效果;随着迎角的增加,喷口处的背压升高,喷流对流场的干扰效应减弱,达到相同的降热效果需要更大的喷流压比;相同的喷流压比下,在再附着点前喷流,喷流膨胀更完全,降热效果更好;减阻杆和环形喷流组合构型相对于单一减阻杆构型,在小喷流压比下减阻效果增强。     

非稳定动态过程非定常气动力建模

现有的大迎角非定常气动力建模方法，通常是以一个或多个频率的稳定振动试验数据来预测稳定滞环。然而，飞机快速机动如过失速机动的过程，不可能是持续的稳定振动，而是一个非稳定的动态过程。因此，这个过程中的气动力不会达到稳定滞环，而是始终处于进入滞环的初始非稳定过程中。基于振动理论分析得出，非定常气动力的动态响应过程存在非稳定和稳定两个阶段，传统建模方法着眼于稳定阶段，而飞机的真实机动过程在非稳定阶段。设计了一种适于非线性系统辨识的激励输入，并以最小二乘支持向量机（LS-SVM）方法为例，实现了在大迎角区幅值和频率范围内任意运动的非定常气动力建模。模型训练完成后，用来预测某机翼在不同基准状态下大迎角范围内做俯仰运动时的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数。结果表明，不仅稳定滞环实现了准确预测，进入滞环的初始非稳定过程也得到了准确预测；此外，基准状态对气动力在初始非稳定过程中的特性存在明显影响。进一步的验证还表明，基于稳定滞环数据只能预测到稳定滞环，无法预测进入滞环的非稳定过程。     

横流转捩模型参数不确定度量化分析与应用研究

为获得横流转捩模型重要参数在不同工况下对转捩结果的定量影响规律并尝试获得更加准确可靠的转捩模型预测结果,开展了基于非嵌入式多项式混沌(NIPC)方法的横流转捩模型参数不确定度量化分析、参数敏感性分析及其应用研究。不确定度量化分析方面,对基于γ-Re_(θt)模型的完全当地化横流转捩模型的重要模型参数进行了拉丁超立方抽样,通过有限参数样本的S-K低速平板和无限展长后掠翼的数值计算,运用非嵌入式多项式混沌方法,定量分析了模型参数在不同类型转捩流场中的影响效能。在应用研究方面,以不确定度与参数敏感性定量分析结果为指导,对模型参数进行了横流诱导转捩条件下的筛选与标定,在NLF(2)-0415后掠翼、6:1标准椭球体以及DLR-F4翼身组合体算例中进行了验证,标定后的模型对多个算例的三维边界层横流转捩进行了较好的预测。     

高超声速滑翔飞行器锐边化气动隐身一体化设计

隐身性能是影响高超声速武器作战效能的关键指标之一，为提高高超声速滑翔飞行器的生存及突防能力，以HTV-2飞行器为初始外形，引入锐边化设计思想，提出一种兼具良好隐身性能的气动外形。首先采用CFD数值模拟和高频近似算法，对初始外形气动特性及隐身特性进行评估。接着通过截取重要截面轮廓线，在轮廓线上均匀选取控制点。最终将离散点重构成三维外形，设计了一种锐边化飞行器外形。在此基础上计算评估了锐边化外形的升阻特性及雷达散射截面（RCS）。与原外形对比可知锐边化外形气动性能变化较小，气动力系数变化量不超过7%；同时在主要威胁区域（即俯仰角±30°、偏航角±60°角域）内飞行器的RCS均值显著降低，平均降幅超20%。此外为消除边缘绕射的影响，通过倒圆角的方式对锐边化外形的棱边进行了圆润化处理，实现了主要威胁区域内RCS均值的进一步减缩，平均降幅超过60%。此外进一步研究了在不同位置倒圆角及圆角半径对飞行器隐身特性的影响。结果表明在尾部截面倒圆角能较大程度改善飞行器的隐身特性，圆角半径与飞行器特征长度之比为1.35%时较佳。     

低声爆超声速客机声爆预测及不确定度量化分析

声爆精确预测问题是制约超声速客机技术突破的关键瓶颈之一。由于大气来流条件不断发生波动存在不确定性，为得到更可靠的声爆近/远场信号，需考虑来流参数的不确定性对声爆预测结果的影响，并甄别其中影响声爆预测的关键性因素，为工程实际应用提供有价值的参考。本文基于CFD声爆近场信号模拟和增广Burgers方程的声爆远场信号预测方法，对第三届声爆预测研讨会（SBPW-3）的C608低声爆超声速飞行器开展了声爆信号特性分析。首先，采用约5 021万非结构混合网格半模计算了近场过压值，并研究了远场地面波形计算的时间和空间网格收敛性。接着，分析了基准状态下复杂近场流动特征及地面波形特征，通过与C608飞行器公开数据对比，验证了该方法和自研程序的准确度。此外，研究了不同物理模型和大气相对湿度对地面波形的影响。在此基础上，运用基于非嵌入式多项式混沌（NIPC）方法开展了对不同来流参数（来流马赫数、来流攻角和单位雷诺数）的不确定度量化分析和敏感性分析。结果表明，在给定的输入变量不确定度条件下，地面波形波峰与波谷处过压值变化明显。相比而言，来流单位雷诺数对地面波形过压值的影响显著低于来流马赫数和来流攻角的影响。     

基于逆向增广Burgers方程的声爆反演技术

声爆问题一直是制约超声速客机发展的障碍之一，因此低声爆设计技术在超声速客机的设计中尤为重要。逆向增广Burgers方程可将中场声压信号反演至近场，能够为低声爆反设计工作提供优化目标。围绕逆向增广Burgers方程展开研究，运用算子分裂法和正则化伪抛物型方程法对逆向方程进行数值求解，并求取对应的反向等效面积。借助3个标准算例，对数值方法的收敛性、求解准确度、不同中场高度及不同周向角下反演技术的计算精度进行了研究。针对逆向增广Burgers方程的特点，探讨了在中场设置目标波形进行反设计方法的可行性，并对声压信号中高频分量的传播特性进行了研究。研究认为上述方法能够较为准确地完成中场至近场的声压信号反演计算，并且使用中场目标波形代替地面目标波形能减轻反演距离对反演计算过程的影响。     

侧向喷流对导弹方向舵局部气动热特性的影响

为探索侧向喷流流动控制技术对高速导弹方向舵局部气动热特性的影响规律及相关机理，对带有方向舵和舵轴的导弹在不同攻角和喷流条件下进行了数值模拟，得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：喷流压比达到75时，可以避免受弓形激波干扰的来流气体作用在方向舵上，能有效减少方向舵前缘中后段的壁面热流；随着喷口位置与方向舵前缘距离的增加，喷流后回流区结构和范围变化不明显，方向舵前缘的壁面热流变化不大；不同攻角来流条件下，侧向喷流均能有效降低方向舵前缘的壁面热流。攻角大于10°后，喷流的热防护效果有所降低；有攻角来流条件下，在舵轴的正前方喷流，自由来流绕喷流流动，舵轴下壁面边界层内气体密度上升，使舵轴两侧压差增大，舵轴的壁面热流增大；在0°攻角来流条件下，喷口两侧方向舵所受侧向力与喷流推力方向相反，此时导弹的放大因子增大。