面向降落伞稳态CFD计算的网格生成方法研究

降落伞稳态流体动力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算的网格生成是一个带边界层的三维复杂域网格生成问题,目前用于边界层计算的混合网格生成方法,往往存在计算繁琐、应用范围窄、自动化差、以及难以适应复杂外形的缺点。文章提出了一种结合约束德洛内(Delaunay)网格生成和网格前沿推进技术的降落伞稳态CFD计算的流场网格生成方法,实现了降落伞网格和包括边界层区域在内的流场网格一体化、全自动、高品质的生成。该方法采用网格前沿推进法来生成边界层区域的网格节点;算法整体上采用三维约束Delaunay网格生成技术,边界层层节点集合在网格生成过程中作为约束Delaunay三角化的约束条件,避免了复杂的网格求交计算和拓扑处理。网格生成实例表明,该方法能全自动生成降落伞稳态CFD网格,生成的网格品质、网格规模等满足降落伞稳态CFD计算的需求,同时该方法具有一定的通用性。     

用非结构直角网格和欧拉方程计算运载火箭绕流

采用八叉树结构，物面附近用投影法，生成运载火箭绕流计算的非结构直角网格。并将Jameson的有限体积法推广用于这种网格的欧拉方程计算。算例表明，网格生成的时机化费很少，质量好；欧拉方程解算的收敛质量也好。     

基于非结构网格的燃面推进算法

根据惠更斯波传播原理,构建了一种在通用CFD软件的非结构网格系统上直接计算燃面推进的数值方法。该方法将燃面对应的计算网格面作为一系列平面波源,利用网格几何关系对边界节点奇异性进行判定,通过所有平面波源影响区域的叠加求解新的燃面位置。数值实现过程中,根据节点奇异性和波源影响区域以三维矢量运算得到节点的推进矢量。结合网格的重分,在通用CFD软件环境中实现了燃面的推进,所用数值算法具有良好的精度。另外,对三维动态内弹道模拟中燃面计算的稳定性和精度等问题进行了研究。     

基于全球网格的卫星成像区域目标规划算法

针对多颗成像对某一特定区域协同观察的问题,提出了一种基于全球网格的区域目标规划算法。考虑到卫星幅宽、网格数据更新速度、条带计算精度等因素,采用军用分幅标准对全球进行网格划分,选定1∶50 000作为基准比例尺,并采用网格金字塔实现条带计算精度和网格可见性数据更新速度的平衡;通过并行多节点的点目标访问,计算特定时间段内全球网格的观测可能性,并记录所有网格的可见时刻及对应的卫星姿态信息;按照覆盖面积最大、单次成像最优、加权最优等规则通过贪婪算法依时间顺序选定不同条带,生成对应的协同方案。文章针对不同大小的区域设计了3个试验进行仿真,结果表明:该算法能适应不同大小区域的多星协同观测,反应速度能够达到10秒量级,可为多卫星区域协同观测设计提供参考。     

基于非结构网格的离子推力器羽流数值模拟方法研究

为适应复杂的航天器外形,文章采用基于非结构网格的数值模拟方法研究离子推力器真空羽流的基本特征。首先,介绍了非结构网格划分的方法,并分析了建模区域生成各种拓扑关系的特点;然后,提出了粒子穿越网格的具体算法,包括有利于减少计算量的结合矩阵重标号的带宽压缩算法;最后,开展了模拟结果和试验结果的对比研究,验证了以上数值模拟方法的可行性。     

一种精确计算航天器本体对太阳电池阵遮挡的方法

针对航天器太阳电池阵电设计和热设计中需要准确考虑阴影影响的问题,提出了一种可以精确计算太阳电池阵阴影的方法。首先使用三角网格来建立3D模型,其次考虑了航天器本体构件间的相对运动,然后用一个“包围盒”去截取模型上的三角网格点,再把这些点投射到太阳电池阵上,最后把太阳电池阵分成小方格,分别使用逐点比较法和最小矩形法来生成阴影图形。给出了月球车遮挡计算的实例,仿真分析表明生成阴影图形时,最小矩形法具有更高的速度。使用本文所述的方法,可计算结构复杂、构件间有相对运动的航天器本体对太阳电池阵造成的遮挡,能生成精确的阴影图形,为后续计算受遮挡的太阳电池阵的输出特性奠定了基础。     

降落伞网格剖分技术研究

降落伞几何建模和网格剖分是降落伞流固耦合数值仿真的基础。文章建立了包括伞衣主体、径向带、伞顶孔和底边加强带的降落伞精细几何模型,并基于软件开发平台VS2010使用C++语言设计并实现了针对该几何模型的网格自动剖分器。该剖分器采用约束Delaunay剖分算法,具有良好的理论基础、生成的网格质量(quality)高,满足降落伞数值仿真对网格质量的要求;并提供接口可将顶点和网格信息导入到商用软件中做进一步求解分析。实验证明,使用文中网格剖分器生成的网格,不但网格单元质量优于使用商用软件生成的网格,而且在网格单元质量相似的情况下,网格单元数量相对较少。同时,该网格在数值仿真中表现良好。     

基于Volterra级数的非线性非定常气动力降阶模型

发展了一种基于Volterra级数的非线性非定常气动力降阶模型。着重探讨了基于CFD／CSD耦合计算的Volterra核辨识方法。CFD／CSD耦合计算采用了一种简单的动网格快速生成方法，气动网格与结构网格节点间的物理信息交换采用一种改进的CVT方法。通过与CFD／CSD直接计算的结果对比，表明非定常气动力Volterra级数模型是一种效率高、精度好、能描述非线性、便于使用的降阶模型，特别适用于预测结构做非定常运动下的非定常气动力。     

贴体曲线坐标系的数值生成方法

本文给出了二维场曲线坐标系的数值生成方法,该曲线坐标中的某些坐标线能与场中所有物理边界相贴合(本文称为“贴体曲线坐标系”)。不论物理边界的形状如何,利用本方法都可以使物理边界通过有限差分网格点,并在计算平面中的矩形正交网格上求解偏微分方程,而不需要在网格点之间采用内插方法。本方法已经用FORTRAN算法语言编成计算程序,并应用于简单的二维收敛-扩张喷管(单连域)和环形喷管(多连域)。这些算例表明,该FORTRAN计算程序是可行的。     

多种材料人工脱粘应力场分析

采有网格自动生成技术，给出了考虑多种材料结构的人工脱粘层前缘附近推进剂／衬层界面较为合理的疏密平滑过渡的计算网格，对整个药柱尤其是对头部人工脱粘前缘附近进行了详细的有限元计算，得出了与实际情况接近的有限元诸模型析应力，应变场，此外，还考虑不同模量绝热层（人工脱粘层）和衬层对人工脱粘层前缘附近推进剂／衬层界面应力的影响。     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

基于FEKO软件的电大尺寸面天线仿真

运用FEKO软件的高低频混合法和多层快速多极子算法对典型电大尺寸面天线——卡塞格伦天线远场方向图进行仿真计算,并对这两种计算方法的计算精度和计算效率进行了比较。结果显示,二者得到的远场方向图基本一致,都具有较高的准确性。因为多层快速多极子算法在计算时考虑了双曲副反射面的遮挡效应,所以与高低频混合法相比,其得到的远场方向图增益略低、旁瓣略高,仿真精度更接近工程实际,但代价是内存开销和计算时间的大幅增加,特别是在网格数较大的情况下。     

固体火箭发动机工作过程仿真中的重要问题与处理方法

本文对固体火箭发动机工作过程仿真中的主要问题进行了较为系统的论述,综述了发动机内流场的数学模型、湍流模型、两相流动模型、热辐射模型、湍流化学反应边界层模型的国内外发展和应用状况,简要论述了计算网格的生成方法和数值计算方法。对于全面展开三维内流场和性能仿真研究有一定参考价值。     

基于多块对接网格的多侧喷流瞬态干扰特性研究

基于无限插值理论和多块网格技术,生成了带多姿控发动机的拦截弹结构体网格。利用非定常N-S方程数值求解技术,计算了大气层内高超音速拦截弹带多个横向喷流的瞬态干扰流场,为拦截弹瞬态多侧向喷流的精确控制力建模提供了理论参考依据。研究结果表明,与单喷瞬态干扰相比,瞬态多侧向喷流干扰延迟效应更明显;多侧喷瞬态喷流尾流对尾翼存在更强干扰现象。     

存储网格的体系结构及关键技术研究

代表未来计算模式的网格计算对现有存储模式提出了新的挑战,存储网格是适应未来需要的新型存储体系结构。描述了存储网格的基本特性,研究并设计了存储网格的一种体系结构,对存储网格的核心问题及关键技术进行了探讨。     

存储网格的体系结构及关键技术研究

代表未来计算模式的网格计算对现有存储模式提出了新的挑战,存储网格是适应未来需要的新型存储体系结构.描述了存储网格的基本特性,研究并设计了存储网格的一种体系结构,对存储网格的核心问题及关键技术进行了探讨.     

应用动网格技术计算着陆过程中缓冲发动机喷流流场

利用Fluent软件对着陆过程中缓冲发动机的喷流流场进行数值计算,发动机与地面相对位置的不断变化使计算域形状不断改变.为了保证计算的正确性,必须采用动网格技术.介绍了实现移动网格的基本方法,并结合使用网格弹性平滑移动和网格重构方法实现了着陆过程中缓冲发动机喷流流场的非定常数值计算;得到了随发动机着陆产生的喷流流场的压强...     

飞行器气动与隐身综合特性数值分析

开展了飞行器气动与隐身综合特性数值研究,编制了相应的计算与分析程序。该程 序的主要 功能包括：飞行器外形参数化和计算网格的生成,气动特性计算（利用有限体积方法求解NS 方程）,隐身特性计算（利用时域有限差分方法求解Maxwell方程）,飞行器气动与隐身综 合特性分析。作为应用的一个实例,对一种带翼钝锥体的气动和隐身综合特性进行了分析, 并设计出两种新的外形,新外形的气动和隐身综合特性与原形相比有明显提高。     

组合式数值网格生成

本文针对流场特点,采用组合式数值网格,即流场内部采用球对称贴体网格、外部采用轴对称网格,对该种结构网格的分布和两组网格在交界处的结合进行了研究.通过泊松方程把物理网格变换成计算网格,并对网格分布的控制进行了研究.提出并采用了滑移边界,保证了边界上网格的正交性.研究方法和结论可以应用于类似问题的数值分析中.     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹快速、高精度优化

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题，提出一种基于稀疏差分法和网格细化技术的快速、高精度求解方法。该方法应用局部配点法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划(NLP)问题，从两方面提高轨迹优化的效率和精度。一方面，引入一种高效的稀疏差分法计算NLP的一阶偏导数，提高NLP的求解效率；另一方面，提出一种基于新型广义二分网格的网格细化算法调整离散节点的数量和分布，使得方法能够采用较少的节点数目取得较高的优化精度，从而减小NLP的规模和计算量。应用该方法求解了高超声速滑翔再入轨迹优化问题，仿真结果表明所述方法能够快速生成一条严格满足各种约束的最优三维再入轨迹。在此基础上，研究了滑翔飞行器的再入落点区范围，进一步检验了该方法的有效性。