基于刚性动网格技术的动导数数值模拟

基于刚性动网格技术,建立了俯仰动导数的非定常数值计算方法.首先使用小幅度强迫俯仰振荡方法求解俯仰组合动导数,然后利用小幅度强迫升沉振荡方法求解洗流时差导数,通过两者相减即可得到俯仰阻尼导数.利用国际动导数标准模型Finner导弹进行算例验证,计算得到的俯仰组合动导数与试验值误差为2.76%,洗流时差导数值约为俯仰阻尼导数的11.5%,与文献的结果一致.结论表明:动导数单独模拟方法具有较好的工程实用价值,且可以推广到横向以及航向的动导数数值模拟.      

基于背景网格簇的动网格生成方法

提出了基于背景网格簇实现网格变形的新方法。背景网格簇由任一内边界节点和远场边界角点生成的背景网格构成,并随边界运动而变化。通过保持计算网格节点在每一个背景网格中所在单元的面积坐标不变(三维时保持体积坐标不变)而求出一组期望位置,加权平均该组期望位置,确定出该计算网格节点的新位置。其中权值与内边界节点和计算网格节点距离的倒数相关。新方法引入的背景网格簇可以有效地改进单个背景网格的不足之处。算例结果表明:基于背景网格簇的动网格生成方法实现简单,与弹簧近似法相比,新方法因不需要迭代求解方程组而非常高效,且拥有更强的网格变形能力;与Delaunay图映射法相比,该方法背景网格的单元个数极少,因此易于定位,且不会出现背景网格单元交叉的现象,网格变形能力更强,变形后的网格质量更好。     

基于非结构背景网格的动网格方法研究

借鉴弹簧动网格方法和Delaunay背景图方法,提出一种基于非结构背景网格的动网格生成方法。先用少量的物面控制点生成相对较粗的非结构背景网格,再用弹簧法将动边界的变化量作用到该背景网格,然后利用计算网格与背景网格的映射关系插值生成对应的动网格,最后对物面网格点及其附近受影响的密网格点进行局部网格修正,获得最终计算所需的动网格。所提方法与直接弹簧法比较,由于弹簧法作用的背景网格远粗于实际的计算网格,提高了计算效率,此外,由于网格的运动受控于受弹簧法作用的背景网格,边界变形或运动能较为均匀地传递到内部网格上,使网格单元过渡光滑,提高了动网格的质量。给出若干算例,展示了方法的效率和可行性。     

复杂空气动力外形网格生成技术

通过对用于网格生成的Ｌａｐｌａｃｅ方程进行抛物化差分离散,发展了一种快速抛物型方程贴体及与边界正交网格生成方法,另外,采用源项修正技术求解用于网格生成的Ｐｏｉｓｓｏｎ方程,发展了一种可实现对网格线与边界间距及正交性进行双重控制的椭圆型方程方法,运用这种两种基本方法以及这两种方法的混合,分别生成了真实歼击机全机外形,带十字叉翼导弹以及双发,下单翼运输机外形的计算网格。并已成功地秀于跨声速得杂流场的娄     

一种基于求解椭圆型方程的结构动网格生成方法

基于椭圆型网格生成法,实现了一种简单高效的贴体结构动网格生成方法,可用于具有移动边界问题的非定常流动数值模拟。该方法提出,在网格变形过程中,Poisson方程需要的控制网格间距和正交性的源项可以通过提取已知的静态网格源项直接得到,并在整个动网格生成过程中保持不变。因此,在椭圆型网格生成中需要通过外迭代确定源项的过程可以得到省略,而且该方法不需要人工指定参数。这使得方法具有高效和易于嵌入到已有程序中的特点。数值模拟结果证明,采用这种方法获得的网格能够较好地保持静态网格原有的正交性和光滑性,在相同迭代步数约束下,网格求解效率低于传统弹簧模拟法,但鲁棒性优于弹簧模拟法。     

空气动力分析中动网格技术的数值阻尼

利用FLUENT进行空气动力分析,并采用常加速度Newmark法计算物体运动参数时,动网格宏模块由于数据传递方式的限制,修改了常加速度Newmark法的原有算法,动网格宏模块的软件算法其有效性存在质疑。针对以上问题,首先给出数值算例以显示软件算法的缺陷特征,提出软件算法会引入数值阻尼的假定,而后通过数学手段证明数值阻尼的存在,并给出数值阻尼的理论计算公式。之后,给出算例,得出算例的数值阻尼,并利用数值阻尼修正软件算法,同时验证理论公式的有效性。最后给出文章理论的工程应用。     

基于动网格的脉冲爆震发动机性能研究

为了获得以工程应用为背景的脉冲爆震发动机(PDE)模型可靠的性能评估方法,应用数值模拟与经验数据相结合的方法计算了某多管旋转阀PDE的性能。结果显示:采用动网格技术可以获得冷态填充过程中发动机的充填系数;结合煤油爆震的数据得到所设计的六管旋转阀PDE的平均净推力为827.8N。该方法融合了CFD计算和试验数据,为今后PDE性能估算提供了很好的参考。     

基于动网格高空长航时机翼优化

分析了机翼设计优化的一般策略,针对高空长航时飞行器的气动性能需求和机翼构型特点,提出以机翼剖面翼型沿展向分布的设计优化;针对Hicks-Henne翼型参数化方法后缘不光顺的缺陷,提出了改进Hicks-Henne翼型参数化方法;针对通常基于线性插值的三维动网格生成方式的缺陷,提出采用基于B样条函数的三维动网格生成;通过对商业软件Pointwise和Fluent的二次开发实现数据流和工作流的定制及自动化,并将所有流程在iSIGHT平台下集成;优化算例表明,基于动网格的机翼优化实现提高功率因子的目标,是高空长航时机翼优化中的一种有效方法。     

基于非结构动网格的非定常气动力计算

对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法耦合求解基于Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE)描述的欧拉方程,计算了谐和振动NACA0012翼型及矩形机翼的跨声速非定常气动力,计算结果与参考文献提供的结果及实验结果吻合良好。     

基于动网格的非定常粘性空气动力学计算

提出了一种将阵面推进法和半扭转弹簧法相结合的动网格生成方法。运用阵面推进法决定附面层动网格的运动规律,半扭转弹簧法生成附面层外的非结构动网格。使得算法能够同时适用于非定常粘性与非粘性空气动力学计算。文中对于非定常可压缩N-S方程,在非结构动态网格上用有限体积法离散,并用预处理的双时间步推进、隐式LU-SGS迭代,计算了二维NACA0012翼型俯仰简谐运动的低雷诺数非定常空气动力,计算结果与参考文献提供的结果吻合良好。此外,本文还对三维1/4椭圆薄板的低雷诺数非定常空气动力进行了计算。     

基于动态边界控制的气动优化设计方法研究

本文根据控制变形物体边界变化的思想,建立了一种基于动态边界控制的气动优化设计方法,此方法通过在求解非定常流动方程过程中计算设计目标函数随设计变量变化的敏感性导数,这样在优化过程中不再需要求解定常流动方程,或共轭方程,从而使得优化过程得到简化并且便于在不同条件下应用.文中以二维翼型为例,用非定常欧拉方程为基本流动控制方程,针对两种优化设计问题,开展了翼型的优化设计,取得了良好的优化设计结果.     

基于修正边界层转捩的翼型气动特性研究

边界层转捩是决定翼型流场特性的重要因素,因此在航空工程中开展边界层转捩研究具有重要意义.从转捩流动的物理特征出发,引人间歇函数对k-ω SST两方程湍流模型的Wilcox转捩模式进行了修正,进而对传统的NACA0012翼型的流场特性和气动性能进行了研究,并与原始边界层转捩的计算结果以及试验结果进行了比较.研究表明,改进后的模型对转捩位置具有较好的预测能力;在采用修正边界层转捩模型的情况下,翼型的阻力预测精度有了一定程度的提高.     

基于CFD的航空发动机试车台进气加温装置气动性能分析

根据涡喷、涡扇发动机进气加温试车时所需的进气流量、进气温度及其温度场要求,对试车台进气加温装置气动性能进行了数值分析。在此基础上,根据发动机使用工况,对进气加温装置"热态"、"冷态"工况下的流场性能进行数值分析。分析发现,"热态"工况下,出口平均温度为464.0 K,不均匀度为2.11%;"冷态"工况下,气流经过进气加温装置总压损失为577.5 Pa,对发动机进口流场影响很小。计算结果表明该进气加温装置具备良好的工程应用价值。     

Integrated optimization analyses of aerodynamic/stealth characteristics of helicopter rotor based on surrogate model

Based on computational fluid dynamics(CFD)method,electromagnetic high-frequency method and surrogate model optimization techniques,an integration design method about aerodynamic/stealth has been established for helicopter rotor.The developed integration design method is composed of three modules:integrated grids generation(the moving-embedded grids for CFD solver and the blade grids for radar cross section(RCS)solver are generated by solving Poisson equations and folding approach),aerodynamic/stealth solver(the aerodynamic characteristics are simulated by CFD method based upon Navier–Stokes equations and Spalart–Allmaras(S–A)turbulence model),and the stealth characteristics are calculated by using a panel edge method combining the method of physical optics(PO),equivalent currents(MEC)and quasi-stationary(MQS),and integrated optimization analysis(based upon the surrogate model optimization technique with full factorial design(FFD)and radial basis function(RBF)),an integrated optimization analyses on aerodynamic/stealth characteristics of rotor are conducted.Firstly,the scattering characteristics of the rotor with different blade-tip swept and twist angles have been carried out,then time–frequency domain grayscale with strong scattering regions of rotor have been given.Meanwhile,the effects of swept-tip and twist angles on the aerodynamic characteristic of rotor have been performed.Furthermore,by choosing suitable object function and constraint condition,the compromised design about swept and twist combinations of rotor with high aerodynamic performances and low scattering characteristics has been given at last.     

基于CFD动网格的内装式空射分离研究

研究了使用飞机发射运载火箭时的机箭分离过程.提出了一种可以解决内装式空射分离问题的整体解决方案,主要基于CAD三维实体建模方法、多体动力学方法和结合六自由度运动的计算流体力学(CFD)动网格方法.以CFD动网格计算为核心,进行了空射分离过程关键问题的研究,得到了火箭在载机气动干扰环境下的运动特性,为轨道卫星和弹道导弹的快速、廉价发射打下了研究基础.     

具有Gurney襟翼的多段翼型空气动力特性分析

增大飞机的升力可以有效地缩短飞机起飞和着陆的滑跑距离 ,本文通过对高升力多段翼型有、无Gurney襟翼时的翼面边界层、尾迹速度分布及表面压力分布的测量等实验方法研究了具有Gurney襟翼时的多段翼型绕流特性及增升规律。实验研究结果表明 ,在α =8°时 ,Gurney襟翼高度为 0 .0 2c和 0 .0 5 5c时 ,使多段翼型升力系数分别增加了 1 3%和 2 2 %。Gurney襟翼的增升效果不仅与Gurney襟翼的高度密切相关 ,而且还与在翼面上的安装位置有关。     

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.      

冲压式翼伞气动性能研究

随着计算流体动力学(CFD)的发展、空投系统以及航天器回收过程对定点回收精度要求的提高,精确计算冲压式翼伞的气动参数必不可少。首先,采用有限体积元法求解N-S湍流模型的κ-ε控制方程,对NASA兰利研究中心采用的三维翼伞进行了气动性能分析,验证了方法的可行性;然后将该方法应用于某型翼伞中,分析了翼伞周围的绕流特性,得到了不同迎角来流条件以及伞衣后缘不同程度下偏的气动力数据,为翼伞系统的数学建模提供了准确的参数,从而克服了传统经验公式获得气动参数不准确的缺点。     

Reduced order model for unsteady aerodynamic performance of compressor cascade based on recursive RBF

Based on Recursive Radial Basis Function (RRBF) neural network, the Reduced Order Model (ROM) of compressor cascade was established to meet the urgent demand of highly efficient prediction of unsteady aerodynamics performance of turbomachinery. One novel ROM called ASA-RRBF model based on Adaptive Simulated Annealing (ASA) algorithm was developed to enhance the generalization ability of the unsteady ROM. The ROM was verified by predicting the unsteady aerodynamics performance of a highly-loaded compressor cascade. The results show that the RRBF model has higher accuracy in identification of the dimensionless total pressure and dimensionless static pressure of compressor cascade under nonlinear and unsteady conditions, and the model behaves higher stability and computational efficiency. However, for the strong nonlinear characteristics of aerodynamic parameters, the RRBF model presents lower accuracy. Additionally, the RRBF model predicts with a large error in the identification of aerodynamic parameters under linear and unsteady conditions. For ASA-RRBF, by introducing a small-amplitude and high-frequency sinusoidal signal as validation sample, the width of the basis function of the RRBF model is optimized to improve the generalization ability of the ROM under linear unsteady conditions. Besides, this model improves the predicting accuracy of dimensionless static pressure which has strong nonlinear characteristics. The ASA-RRBF model has higher prediction accuracy than RRBF model without significantly increasing the total time consumption. This novel model can predict the linear hysteresis of dimensionless static pressure happened in the harmonic condition, but it cannot accurately predict the beat frequency of dimensionless total pressure.