亚跨超CFD软件平台研制

亚跨ＣＦＤ软件平台研制的宗旨是综合国内外计算流体动力学的最新研究成果，用计算机软件技术的新发展，建立一个面向对象的计算流体动力学的研究开发环境，加快计算流体动力学最新成果向工程应用的转换速度。本文介绍初级版本的研究进展和研究成果，主要匝数值网格生成技术，流场解算器，面向对象的界面设计等三部分组成。     

螺旋桨非定常滑流的高效数值模拟研究

基于自主研发的大型"亚跨超CFD软件平台"(TRIP3.0),开发了针对螺旋桨飞机的旋转机械非定常求解模块。控制方程采用曲线坐标系下的非定常Euler方程,综合运用动态拼接结构网格技术和双时间步推进方法,重点模拟了双发螺旋桨飞机在螺旋桨转动时的非定常滑流效应。为了保证计算模拟的高效性,引入多重网格技术和大规模并行计算技术。通过模拟某单独螺旋桨验证算例,验证了该方法的可行性。模拟了不同迎角和螺旋桨转速下全机的气动特性,分析了滑流对流场的影响情况,结果表明:螺旋桨滑流对全机流场和气动特性影响明显,并使得升力系数增大。     

采用TRIP2.0软件计算DLR-F6构型的阻力

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP2.0)数值模拟了DLR-F6构型,主要目的是通过计算DLR-F6构型的安装阻力考察TRIP2.0软件的数值模拟精度,并为运输机构型的气动特性计算积累经验.本文数值模拟采用的多块对接网格,测压和测力的试验结果均来自AIAA CFD Drag Prediction Workshop II(DPWII),对比计算结果采用了CFL3D的结果.本文详细研究了网格密度、湍流模型对DLR-F6翼身组合体和翼/身/架/舱复杂组合体两种构型的的总体气动特性和压力分布的影响,计算结果与相应的试验结果取得了较好的一致.本文采用SST两方程模型计算两种构型均得到了网格收敛结果;不同的湍流模型对压差阻力影响较小,对摩擦阻力影响较大;不同的网格密度和湍流模型对压力分布影响较小.     

HyperFLOW亚跨声速流动验证

主要介绍了结构/非结构混合CFD软件HyperFLOW的设计开发与验证.HyperFLOW软件在结构网格上采用结构算法,在非结构网格上采用非结构算法,以充分利用两种网格及解算器的优点.首先介绍了软件的体系结构和基本算法,然后采用NASA Trap-Wing高升力外形和DLR-F6翼身组合体,对软件的结构解算器和非结构解算器进行了验证.结果表明,该软件的结构解算器和非结构解算器均有较好的网格收敛性,计算结果与其他参考结果和试验数据均符合较好,具有可接受的可信度.     

主动流动控制技术的初步数值研究

利用亚跨超CFD软件平台2.0版本(trip2.0)对几种常见的流动主动控制技术进行了数值模拟,对包括进气道和襟翼等几个算例的流场进行了定常和非定常求解,获得了合理的计算结果,为今后的进一步深入研究打下了良好基础.     

结构网格方法对高升力构型的应用研究

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA湍流模型和MUSCL-ROE格式,并综合运用对接/重叠/拼接网格技术,数值模拟了两种高升力构型的气动特性,给出了典型站位的压力分布,并对比研究了不同结构网格技术对此类高升力构型的计算差异。研究表明,与修正后的试验数据相比,数值模拟得到的气动力系数和典型剖面的压力分布均与试验结果吻合良好。     

30P-30N多段翼型复杂流场数值模拟技术研究

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP2.0)数值模拟了30P-30N多段翼型的复杂流场,主要目的是考核湍流模型、转捩位置对多段翼型压力分布和典型站位速度型的影响。本文通过求解任意坐标系下的雷诺平均的N-S方程,采用多块对接结构网格技术,在与相应试验结果对比的基础上,详细研究了SA一方程湍流模型、SST两方程湍流模型、不同的转捩位置对该翼型压力分布和典型站位速度型的影响。本文的研究结果表明,采用全湍流模拟方式可以较好地模拟该多段翼型的压力分布,但对速度型的模拟精度较差;模拟试验的转捩位置可以改善主翼附面层与前缘缝翼边界层尾迹区的模拟精度;采用微吸气技术推迟前缘缝翼的转捩位置,可以进一步提高缝翼尾迹区的数值模拟精度。     

大型通用CFD软件体系结构与数据结构研究

针对大型通用CFD软件研制的需求,从新一代结构/非结构混合流场解算器的研制出发,着重研究了大型CFD软件的体系结构和数据结构。首先,针对未来计算流体力学对大型通用CFD软件的需求进行了分析,对软件研制中将要面对的各种计算网格、物理模型、计算方法以及未来多学科耦合计算的发展趋势进行了充分的需求评估。在此基础上,提出了采用面向对象软件设计技术、进行大型CFD软件体系结构和数据结构设计的方法,包括软件的整体架构、层次结构等,其间提出了运行数据库的概念。最后,研制了基于结构/非结构网格的结构/非结构混合解算器(HyperFlow),并通过典型算例对软件进行了验证,同时推广应用于不可压缩非定常流计算、高阶精度DG/FV混合算法等领域,表明本文提出的CFD软件体系结构和数据结构具有良好的通用性和可扩展性。     

风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究

基于自主研发的“亚跨超 CFD 软件平台”(TRIP3.0),采用刚性运动网格技术和动态拼接网格技术,开发了针对旋转类机械的非定常求解模块。本文开展了 NREL Phase VI 风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究,影响因素主要包括不同时间步长的影响、不同湍流模型的影响、刚性动网格技术和动态拼接网格技术的影响三个方面。本文数值模拟采用的控制方程为雷诺平均 N-S 方程,采用有限体积法离散控制方程,离散方程的时间方向采用“双时间步”方法求解,空间方向无粘项离散采用 MUSCL-Roe 格式,湍流模型采用 SA 和 SST 湍流模型,并引入多重网格和并行计算技术加速求解。数值模拟结果表明：时间步长、湍流模型、网格方案等因素主要影响风力机叶片吸力面的流动结构,进而影响吸力面的压力分布,而对压力面的流动结构和压力分布基本没有影响;采用刚性运动网格结合 SA 湍流模型所得到的压力分布更接近实验值。     

飞行器复杂外形流场NS方程数值模拟

本文采用分块对接和“O”型网格技术，首先在飞行器表面长出“一层”分块结构网格来，再将计算区域用若干分块结构网格填充，这样既保证了网格的质量和模拟复杂外形的能力，又大大提高了计算效率。在计算中，采用有限体积法，MuScL型迎风差分格式求解Ns方程，根据多块网格的排序，研究了计算方法。最后，对某飞行器外形进行了亚跨超流场数值计算，计算结果与试验符合较好。     

无尾布局支撑干扰数值模拟

采用TRIP2．0．SOLVER软件，开展了高、低速来流条件下，无尾飞翼布局支撑干扰的数值模拟技术研究。高速来流状态下支撑干扰的数值模拟，以尾支撑作为主支撑，腹支撑作为辅助支撑，完全模拟了实验中采用的两步法；低速来流状态下的支撑干扰的数值模拟，采用了有无尾支撑的方式得到支撑干扰量。介绍了支撑干扰的典型高、低速数值模拟结果，并与高速实验结果做了初步的对比。     

一种CARET进气道喉部附面层抽吸数值研究

以一种CARET(后掠双斜切双压缩面)进气道为研究对象,设计喉道附面层抽吸槽以控制流动分离。采用CFD数值计算软件对进气道在设计点工况下（马赫数为2.0)下内、外流场进行计算,以总压恢复系数和进气道出口总压畸变为评价指标分析不同抽吸方案的效果。结果表明:喉道附面层抽吸能够稳定结尾正激波,削弱激波/附面层干扰,抑制流动分离,显著改善流场,提高总压恢复系数,减小出口畸变;喉道段抽吸槽位置靠前能够明显降低出口畸变;随着抽吸量的增大,附面层抽吸对进气道内特性性能提升的贡献越来越小。      

TRIP2.0软件的确认：DPWⅡ复杂组合体的数值模拟

 采用“亚跨超声速计算流体力学软件平台”（TRIP2.0）数值模拟了阻力预测小组（AIAA CFD Drag Prediction Workshop Ⅱ,DPWⅡ）翼/身/架/舱复杂组合体运输机构型,数值模拟采用的多块对接网格、测压和测力的试验结果均来自DPWⅡ,对比计算采用了CFL3D的结果。重点针对DLR-F6翼/身/架/舱复杂组合体构型,详细研究了网格密度和湍流模型对总体气动特性和压力分布的影响,计算结果与相应的试验结果取得了较好的一致。采用SA一方程和SST两方程模型均得到了网格收敛结果;不同的湍流模型对压差阻力影响较小,对摩擦阻力影响较大;不同的网格密度和湍流模型对压力分布有一定的影响。     

CT-1标模大迎角静态气动特性数值模拟

 采用雷诺平均的Navier-Stokes方程,对接网格技术和TRIP（TRI sonic Platform）软件,数值模拟了CT-1标模大迎角静态气动特性。来流马赫数0.5,迎角0°～100°,侧滑角0°和5°,在与1.2 m跨声速风洞试验结果对比的基础上,重点讨论了对流项离散方法、湍流模型、远场距离和不同尾部处理形式对CT-1标模大迎角静态气动特性影响。研究结果表明,不同尾部处理形式对大迎角静态气动特性数值模拟结果影响显著,模拟试验的尾部支杆是对比大迎角静态测力试验结果与计算结果的基本要求。     

基于CFD数值模拟的拉瓦尔喷管流场分析

结合一维等熵管流理论,采用CFD方法对某型拉瓦尔喷管典型工作的流场进行整场数值模拟,阐述了网格生成,流场初始化,以及RNG湍流模型使用方法,并对拉瓦尔喷管工作特性进行了气动分析。研究表明,CFD计算结合一维管流理论能明显提高计算效率,数值计算结果与理论相符较好。     

CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展

计算流体力学(CFD)技术在航空工程领域发挥着重要作用。总结了CFD技术在航空工程领域中的应用,系统阐述了气动设计、气动弹性、气动噪声、数字化飞行等多学科耦合计算领域对CFD技术的需求,结合实际工程应用分析了CFD技术面临的主要挑战。总结了近年来CFD技术在流动分离、边界层转捩、高精度方法和运动网格技术等领域取得的研究成果以及在气动特性评估、流动机理分析、气动设计、气动弹性、气动噪声等工程领域中的应用。进一步展望了CFD数值模拟未来的几个关键技术以及应用前景。     

激光与金属材料相互作用的热效应分析

激光与金属材料相互作用的热效应是激光束辐照材料后发生的主要物理现象之一.激光加热使材料温度急剧上升,很快达到材料的熔点.通过使用商业CFD软件FLUENT数值模拟激光辐照金属材料的相互作用,并在一定的假设和边界条件下得到金属材料未熔化之前温度场沿径向和轴向分布情况、气流最高温度的变化和位置的转移、氧化反应和对流换热对热效应的影响.     

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降（STOL）状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形（FFD）参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明：真实桨叶多重参考系（MRF）方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。