CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展

综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.     

城市环境下大气流动CFD缩尺模拟方法

针对当前城市微气候CFD数值模拟计算开销过大的问题,通过引入相似理论改进模型以适应现有计算平台的运行环境。基于相似理论构筑了考虑对流传热和传导传热情况下大气流动的CFD缩尺模拟方法,即通过同名相似准则相等的原则构建虚拟流动介质用于缩尺模拟的计算,从而使缩尺模拟与足尺现象之间的相似性得到保证,并构筑了相应的相似边界条件。以住宅小区为原型,分别设计出对应的足尺模型和缩尺模型进行了相似模拟比较研究。结果表明:本文发展的CFD缩尺模拟方法能够很好地保证与足尺流动现象的相似性,可以达到减小计算开销的目的。研究所提出的城市微气候CFD数值模拟新方法将有助于将相似理论发展成为大型计算机工程仿真模拟的指导性理论之一。     

“计算流体力学高精度格式及其应用”专栏简介

正高精度格式是计算流体力学(CFD)研究的前沿方向。最近三十年来的研究成果已经显示了高精度格式在高保真预测关键流动结构和提高整体计算效率方面的优势。高精度格式在算法的几何、时空特征、效率、分辨率和鲁棒性方面仍有一系列尚待解决和改善的问题,需要开展进一步研究。本专栏反映了国内和海外专家在上述方面的最新成果,内容涵盖:时空关联算法的理论基础,有限差分方法的几何守恒律及色散耗散特性,有限体积方法的基于解的特性的非多项式重构及子网格重构,FR/CPR方法、气体动力学格式、以及二者的结合,多介质流动的界面算法等。此外,我们高兴地看到,     

湍流大涡数值模拟的现状与展望

近年来,随着计算机技术和计算流体力学(CFD)技术的发展,大涡数值模拟(LES)越来越多地应用于解决湍流流动问题.本文介绍了当前LES研究与应用的主要领域以及取得的成果,分析了LES的局限及实施的难点,并对LES未来的研究方向和重点进行了总结.     

WCNS格式在梯形翼高升力构型模拟中的应用研究

采用5阶精度的有限差分格式WCNS-E-5,对梯形翼高升力构型进行了数值模拟。研究了网格收敛性,WCNS格式对网格的依赖性更小。得到了与实验结果相一致的气动特性和压力分布。通过与一些著名CFD软件的计算结果比较表明,相比二阶格式,WCNS格式模拟高升力构型有明显优势,特别在失速迎角附近对流动结构的刻画更准确。同时,验证了程序对复杂外形的模拟能力和鲁棒性。     

计算流体力学非结构混合网格高精度格式研究现状

介绍了航空CFD技术中的非结构混合网格高精度格式的基本理论和方法,国内外研究现状,几种非结构混合网格高精度格式。     

航空航天CFD物理模型和计算方法的述评与挑战

CFD(computational fluid dynamics)在航空航天中的应用发展迅速、成效斐然,成为飞行器研制和空气动力学研究的重要手段。但另一方面,CFD在物理模型和计算方法等核心理论上的进步却显得步履蹒跚。为此,本文聚焦CFD在航空航天中的应用,从湍流模型、转捩模型、通量求解方法以及高阶格式等CFD关键问题评述其发展现状及面临的挑战。在湍流模型中,重点论述了常用的线性涡黏性模型的现状和特性,尤其是其不足,对比分析了更复杂的雷诺应力模型。在转捩模型中,主要包括低雷诺数湍流模型、间歇因子转捩模型和层流动能转捩模型等,重点介绍了各类模型的发展历程、构造方式和适用范围。在通量求解方法中,重点关注迎风通量格式,论述其在解决激波异常、overheating、全速域模拟、多维流动等问题方面的发展现状。在高阶格式中,主要关注WENO和DG等格式,论述其在计算精度、时间求解、激波捕捉、计算效率等性能方面的现状和问题。最后针对上述方向给出了简要总结和未来发展的建议等。     

复杂流场的多块并行数值模拟

计算机的飞速发展及计算格式研究的不断发展,使CFD(计算流体力学)在飞行器性能分析及飞行器设计领域得到广泛应用,同时CFD自身也不断发展完善,与风洞实验、飞行试验一起成为飞行器设计的重要工具。     

翼身融合布局低速风洞试验研究

翼身融合布局(BWB)综合性能突出,是未来民用航空领域飞行器发展的必然趋势,研究BWB布局的气动特点及流动机理,对开展BWB布局设计具有重要的支撑作用。采用测力、丝线流动显示的风洞试验方法并辅以CFD方法,开展300座级BWB布局(BWB-1)低速气动特性、流动机理及通气发动机短舱影响研究。结果表明:与Early BWB、N2A布局相比,BWB-1具有更好的低速纵向气动性能,具有横向静稳定、航向静不稳定量值较小,航向增稳与控制难度较小等优点;揭示了布局的流动发展过程及具有和缓失速特性的物理原因;通气发动机短舱对提高最大升力及增加航向静稳定性有利,对横向静稳定性影响较小,但使得阻力和低头力矩增加;CFD纵向计算结果与试验基本一致,验证了CFD方法的有效性。     

CFD不确定度量化方法研究综述

随着计算流体力学(CFD)算法和软件的不断发展和完善,CFD数值模拟已经在涉及流体力学的各个领域发挥着日益重要的作用.不确定性因素在CFD计算过程中普遍存在,并且会对数值模拟结果造成影响.发展CFD不确定度量化方法,既能满足工程实践中对CFD可信度评估的需求,同时也能够支撑飞行器的精细化设计.本文旨在总结不确定度量化方法及其在CFD领域中的发展与应用.首先介绍CFD计算中的不确定性来源,以及不确定性的表现形式—随机不确定性和认知不确定性.然后按照不确定性的表现形式介绍对应的不确定度量化方法.最后介绍不确定度量化方法在CFD计算中的发展与应用,并且给出进一步开展不确定度量化工作的建议.     

有翼高超声速再入飞行器气动设计难点问题

有翼高超声速再入飞行器是近年来的研究热点,气动设计是飞行器设计的关键。为了更清楚地认识有翼高超声速再入飞行器气动设计的难点问题,对有翼高超声速再入飞行器的发展、优势及总体任务剖面进行了介绍,从5个方面详细介绍了该类飞行器气动设计的难点问题,包括多约束复杂面对称气动布局设计、高温真实气体效应对气动特性影响、天地差异与天地换算方法、反作用控制系统(RCS)喷流干扰对气动特性的影响以及气动数据不确定度等,简要阐明了这些难点问题对总体设计的重要性以及初步的解决思路,为有翼高超声速再入飞行器气动设计提供了一些参考。     

Simulation and Analysis of Crashworthiness of Fuel Tank for Helicopters

Crashworthiness requirement of fuel tanks is one of the important requirements in helicopter designs. The relations among the protection frame, textile layer and rubber layer of the fuel tank are introduced. Two appropriate FE models are established, one is for an uncovered helicopter fuel tank without protection frame, and the other is for fuel tank with protection frame. The dynamic responses of the two types of fuel tanks impinging on the ground with velocities of 17.3 m/s are numerically simulated for the purpose of analyzing energy-absorbing capabilities of the textile layer and protection frame. The feasibility of the current crashworthiness design of the fuel tank is examined though comparing the dynamic response behaviors of the two fuel tanks.     

The effect of inlet conditions on the flow and heat transfer in multiple rotating cavity with axial throughflow

This paper discusses experimental results from two different build configurations of a heated multiple rotating cavity test rig.Measurements of heat transfer from the discs and tangential velocities are presented.The test rig is a 70% full scale version of a high pressure compressor stack of an axial gas turbine engine.Of particular interest are the internal cylindrical cavities formed by adjacent discs and the interaction of these with a central axial throughflow of cooling air.Tests were carried out for a range of non-dimensional parameters representative of high pressure compressor internal air system flows(Re up to 5×106 and Rez up to 2×105).Two different builds have been tested.The most significant difference between these two build configurations is the size of the annular gap between the(non-rotating) drive shaft and the bores of the discs.The heat transfer data were obtained from thermocouple measurements of surface temperature and a conduction solution method.The velocity measurements were made using a two component,LDA system.The heat transfer results from the discs show differences between the two builds.This is attributed to the wider annular gap allowing more of the throughflow to penetrate into the cavity.There are also significant differences between the radial distributions of tangential velocity in the two builds of the test rig.For the narrow annular gap,there is an increase of non-dimensional tangential velocity V/Ωr with radial location to solid body rotation V/Ωr=1.For the wider annular gap,the non-dimensional velocities show a decrease with radial location to solid body rotation.      

ν-gap度量及其在飞行控制律评估中的应用

 传统控制律评估方法主要用于单输入单输出（SISO）系统，且对模型参数摄动考虑不够全面,针对这些不足，研究了ν-gap度量方法。在介绍系统广义稳定裕度相关概念的基础上，给出了ν-gap度量的定义、特点和性质以及近似摄动模型的计算，提出ν-gap度量评估控制律的步骤。实例结果表明，该方法不仅克服了上述传统评估方法的缺陷，而且还有根据所求的各摄动影响情况忽略影响小的元素，以减少计算量及可以找到最坏情况下的参数摄动组合等优点。     

突破技术趋同，波音再现竞争优势

 波音公司面临着来自空客公司的巨大挑战,企业战略性创新才是公司成功的关键。为此波音公司的全部战略性研究集中在扩大产品的差异性上,体现在3个方面：电子化（e-Enabled）运营环境、整体复合材料机身部件的制造技术和支持波音787客机的全球协同环境（GCE）。     

临近空间飞行器测控与信息传输系统频段选择

 临近空间飞行器是高性能信息化武器平台,测控（TT&;C）与信息传输系统是其信息保障的核心,而选择合理、可行的频段是展开系统设计的前提和基础。频段选择影响到整个技术方案的制定,是一个需综合考虑、影响深远并具有战略意义的关键问题,从国际电联（ITU）国际标准、高速数传、接收信噪比（SNR）、“三抗”、超视距中继、黑障、雨衰以及设备研制成熟度8个方面全面、细致论证了近空间平台测控系统的频段选择问题,最终得出在视距链路中以Ka频段为宜,在超视距链路中以Ku/Ka双频段为宜的结论。     

基于弯曲激波压缩系统的高超声速进气道反设计研究进展

总结了近十年来弯曲激波压缩研究的主要成果。提出了弯曲激波压缩系统的新概念,即利用特殊设计的楔形弯曲压缩面或空间弯曲压缩面,产生一系列与前缘弱激波相互交汇或叠加的压缩波系,从而使前缘激波弯曲,形成特殊的弯曲激波,它与波后的等熵压缩波来共同完成对气流的压缩。在此基础上,实现了由给定出口气动参数的超声速内流道反设计,实现了由给定压缩面压力分布和给定压缩面马赫数分布要求的型面反设计,实现了由给定激波波面的压缩型面反设计。研究证明,弯曲压缩面-弯曲激波压缩系统具有良好的综合气动性能,为高性能高超声速进气系统的气动设计提供了一种全新的设计方法。     

Integrated Entry Guidance for Reusable Launch Vehicle

A method for the implementation of integrated three-degree-of-freedom constrained entry guidance for reusable launch vehicle is presented. Given any feasible entry conditions, terminal area energy management interface conditions, and the reference trajectory generated onboard then, the method can generate a longitudinal guidance profile rapidly, featuring linear quadratic regular method and a proportional-integral-derivative tracking law with time-varying gains, which satisfies all the entry corridor constraints and meets the requirements with high precision. Afterwards, by utilizing special features of crossrange parameter, establishing bank-reversal corridor, and determining bank-reversals according to dynamically adjusted method, the algorithm enables the lateral entry guidance system to fly a wide range of missions and provides reliable and good performance in the presence of significant aerodynamic modeling uncertainty. Fast trajectory guidance profiles and simulations with a reusable launch vehicle model for various missions and aerodynamic uncertain-ties are presented to demonstrate the capacity and reliability of this method.     

Experimental Study on Effects of Fuel Injection on Scramjet Combustor Performance

In order to investigate the effects of fuel injection distribution on the scramjet combustor performance, there are conducted three sets of test on a hydrocarbon fueled direct-connect scramjet test facility. The results of Test A, whose fuel injection is carried out with injectors located on the top-wall and the bottom-wall, show that the fuel injection with an appropriate close-front and centralized distribution would be of much help to optimize combustor performances. The results of Test B, whose fuel injection is performed at the optimal injection locations found in Test A, with a given equivalence ratio and different injection proportions for each injector, show that this injection mode is of little benefit to improve combustor performances. The results of Test C with a circumferential fuel injection distribution displaies the possibility of ameliorating combustor performance. By analyzing the effects of injection location parameters on combustor performances on the base of the data of Test C, it is clear that the injector location has strong coupled influences on combus- tor performances. In addition, an inner-force synthesis specific impulse is used to reduce the errors caused by the disturbance of fuel supply and working state of air heater while assessing combustor performances.     

(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。