Computational engineering analysis of external geometrical modifications on MQ-1 unmanned combat aerial vehicle

This paper focuses on the effects of external geometrical modifications on the aerodynamic characteristics of the MQ-1 predator Unmanned Combat Aerial Vehicle (UCAV) using computational fluid dynamics. The investigations are performed for 16 flight conditions at an altitude of 7.6 km and at a constant speed of 56.32 m/s. Two models are analysed, namely the baseline model and the model with external geometrical modifications installed on it. Both the models are investigated for various angles of attack from −4° to 16°, angles of bank from 0° to 6° and angles of yaw from 0° to 4°. Due to the unavailability of any experimental (wind tunnel or flight test) data for this UCAV in the literature, a thorough verification of calculations process is presented to demonstrate confidence level in the numerical simulations. The analysis quantifies the loss of lift and increase in drag for the modified version of the MQ-1 predator UCAV along with the identification of stall conditions. Local improvement (in drag) of up to 96% has been obtained by relocating external modifications, whereas global drag force reduction of roughly 0.5% is observed. The effects of external geometrical modifications on the control surfaces indicate the blanking phenomenon and reduction in forces on the control surfaces that can reduce the aerodynamic performance of the UCAV.     

基于自适应非结构嵌套网格的旋翼流场模拟

针对直升机旋翼CFD仿真的复杂性,提出了改进的适合于格心格式求解器的非结构嵌套网格算法。采用自适应网格技术在旋翼流场仿真的整个过程中进行网格的自适应加密和疏化操作,以更好地捕捉桨尖涡等流动细节。对于频繁的自适应过程中产生的大量重复点和无用点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)和标记-删除-移动算法(Mark,delete,move,MDM)进行删除,节约了不必要的存储。针对格心格式的求解器,采用了基于梯度的网格间插值方式,简化了网格间数值传递的复杂性,同时不降低求解器的精度。对CaradonnaTung旋翼悬停算例和HLISHAPE 7A旋翼悬停算例进行了模拟验证,计算值与实验值吻合,表明本文建立的方法具有良好的鲁棒性和有效性。最后,与未采用自适应时求解器对桨尖涡的捕捉效果进行了对比,结果表明本文所采用的方法可以明显地提高求解器对桨尖涡的捕捉。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

针对旋翼流场模拟的自适应网格算法

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)予以删除;对于自适应疏化过程中产生的大量无用点,提出了标记-删除-移动(Mark,delete,move,MDM)算法予以快速地删除,减少了不必要的计算资源消耗。对CaradonnaTung旋翼在不同悬停状态下进行了模拟验证,对比了压力分布系数与桨尖涡位置。之后对HELISHAPE 7A旋翼在前飞情况下进行了模拟验证,计算值与实验值吻合。此外,求解器对桨尖涡的捕捉效果得到了明显的提高,表明本文方法具有良好的有效性与鲁棒性。     

风-雨耦合环境超高层三塔连体建筑雨压分布研究

以中国东南沿海某超高层三塔连体建筑为研究对象，以风-雨双向耦合算法为核心，基于计算流体动力学技术采用连续相和离散相模型进行风场和雨场的迭代模拟。首先基于9种风雨组合工况进行三塔连体建筑非定常脉动风场模拟，探讨超高层三塔连体建筑平均风压分布、表面速度流线和流场干扰机理。然后对比研究不同风雨组合工况下主塔表面雨滴附着数量、雨滴冲击力和雨压系数的分布规律，揭示风-雨耦合场中结构表面速度流线、雨滴运行轨迹和最终速度的作用机理。最后提炼出超高层三塔连体建筑最不利风-雨组合工况，并给出对应的雨压系数取值建议。研究表明：风-雨耦合环境下超高层连体建筑迎风面雨荷载作用最为显著，此时雨荷载与风荷载最大比值可达23.81%，局部测点最大雨压系数达到0.301，100 a重现期风速和强大暴雨组合为风-雨耦合作用的最不利组合工况。     

热防护系统损伤容限分析

建立了含初始矩形损伤的热防护系统(Thermal protection system,TPS)气动热分析的CFD数值模型,分析结果表明损伤区域侧壁出现了很高的热流密度峰值,并且迎风面侧壁峰值高于背风面,而损伤区域底部热流密度却很低。利用分析获得的热流密度建立了含损伤和无损伤TPS的有限元传热分析模型。分析结果表明:损伤的存在导致防热瓦最高温度急剧上升,超过其材料能承受的极限温度(1 500℃),防热瓦首先失效,而损伤对机体最高温度影响较小。最后进行了TPS损伤容限分析,在防热瓦极限温度约束下,外部热流密度最大值从100kW/m2增加到140kW/m2,矩形损伤宽度最大容许值从22.7mm减小到12.6mm,而弧形损伤宽度最大容许值从34.6mm减小到25.1mm,即随着外部热流密度最大值增加,损伤宽度的最大容许值降低,并且相同外部热流密度水平下弧形损伤宽度的最大容许值大于矩形损伤。     

基于CFD高精度算法的雷电电磁场研究

雷电空间电磁场一直是电磁领域研究的热门，成熟的算法例如有限时域差分法（FDTD），传输线矩阵法（TLM）以及频域的矩量法（MoM）在计算雷电问题方面都有广泛的应用。由于计算流体力学（CFD）中的Euler方程与电磁学中的Maxwell方程有着相同的守恒形式，而且采用间断伽辽金方法（DG）已经在流场问题上得到广泛的尝试，因此引入了基于计算流体力学的DG方法来离散时域Maxwell方程，并采用网格分区并行技术加速计算，使用基于DG的圆球雷达散射截面积（RCS）算例进行测试，数值结果一致表明DG算法在求解电磁场问题上的可行性，之后通过计算一段近场雷电通道的电场分布并与解析解、某算法仿真解对比，数据基本吻合，说明该方法适合于雷电电磁场的计算。     

基于地外天体起飞的真空羽流导流技术仿真与试验研究

针对着航天器发动机羽流导流问题,基于工程经验提出了四种典型导流装置型面(包含内凹槽形式和导流锥形式等),利用计算流体动力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞过程中羽流导流带来的气动力和气动热效应进行了数值模拟,并对不同导流装置情况下羽流场激波、航天器表面压强和热流密度分布规律进行了分析,给出了四种导流装置的导流效果评价。最后以导流锥形式开展试验,对仿真算法进行了验证。结果表明：羽流导流并没有导致发动机燃烧不稳定;综合考虑航天器羽流和发动机安全性,大导流锥导流的方案最优;在导流锥附近的激波位置及形态和仿真一致,仿真与试验的变化趋势一致,仿真算法可信,数据规律可以作为工程参考。     

环下润滑结构对径向收油环收油效率影响的数值计算研究

为研究环下供油润滑系统中的流动过程和收油环收油效率的影响因素及其影响规律,基于VOF(Volume of fluid)两相流模型和滑移网格模型的数值计算方法,建立了环下润滑系统内部流场的计算模型。通过数值计算,获得了收油环的收油效率并验证了数值计算结果的有效性,分析和探讨了不同结构参数对收油效率的影响。计算结果表明:利用本文数值计算方法得到的收油效率和流动现象与已有实验和数值计算结果均一致;供油喷嘴角度和收油环外径均主要影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油量,收油效率取决于二者的相对大小,θ=0°,θ=9°和r0=2mm,r0=6mm时收油效率取极大值;收油叶片数量和供油喷嘴与收油叶片间距离分别影响收油叶片切割滑油射流的时间间隔和滑油射流在到达收油叶片前的流动,不影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油射流的量,对收油效率的影响较小。     

舰载直升机理论风限图飞行模拟获取方法

获取舰载直升机实用风限图,仅依靠实装飞行试验或建模仿真都是非常困难的。通过起降飞行模拟试验获取理论风限图,结合少量的海上实装飞行验证试验是一种综合较优的方法。起降飞行模拟试验需要真实飞行员和高等级飞行模拟器参与,飞行模拟器中的母舰气流场数据、母舰运动可由建模仿真或试验测试得到,且必须考虑母舰气流场的非定场特性;只有当飞行员视景或视觉反馈受限时(如能见度降低时),飞行模拟器基座的六自由度运动才是必需的;用DIPES或Bedford方法量化飞行员主观操纵负担,结合记录的客观操纵数据,评判起降难度;典型的飞行模拟试验程序包含了不同风况下的进近和甲板着舰,通常每隔15°和5kn一个风况。通过起降飞行模拟试验得到的理论风限图,可以更加有效和安全地指导海上实装飞行验证试验,最终获得实用风限图。