基于CFD的高效气动弹性计算方法

本文在高效气动弹性分析方法方面的研究工作包括:对于超声速流动范围,发展了一种基于CFD数值计算流场修正的高效、高精度工程算法,既含有CFD技术模拟复杂激波系的流场特征信息,又具备工程算法计算速度快的优点;对于失速迎角前的飞行器从亚声速、跨声速到超声速范围,发展了一种基于CFD技术的非定常气动力建模方法,由此获得气动弹性计算所需的非定常气动力,此方法可以包含物面在跨声速存在激波运动的流场信息,计算精度与直接应用CFD模拟气动弹性过程的方法相当,但运用非定常气动力建模技术途径的效率可以比直接基于CFD模拟方法提高2个数量级,对CFD技术应用于气动弹性精确预测方法具有工程实际应用价值;还研究了基于非定常气动力建模的方法用于伺服气动弹性分析、阵风响应.     

二维双楔外形穿越激波流场特性及其数值分析

用数值方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了双楔外形物体超音速穿越与之同向运动激波以及逆向运动激波两种穿越激波的全过程，给出了穿越过程中流场与运动激波产生剧烈的干扰所形成的复杂波系结构，两种穿越情况的激波干扰都呈现双马赫反射的特征。在追击穿越中，楔形物体追上激波后所受阻力急剧的变小；而在碰撞穿越过程中，物体碰到激波后阻力急剧增加，两种穿越情况楔形物体的气动力都发生的剧烈的改变。     

CFD开拓了旋翼空气动力学的研究新领域

旋翼桨叶流场是一个具有强烈的非定常和非线性特征的复杂流场。尽管隶属于旋翼空气动力学范畴的一系列气动力计算方法能够较好地解决线性问题，但却遇到了许多难以解决的粘性和非线性空气动力学难题。这就需要运用旋翼ＣＦＤ（计算流体力学）的方法来突破经典旋翼空气动力学的局限     

导弹气动伺服弹性稳定性分析

分析了带有舵面及控制系统的战术导弹的气动伺服弹性稳定性。动力学方程中包含弹体的一阶弯曲振动、弹体的刚体平动和转动 ,可控舵面只考虑刚体偏转。用细长体理论和气动导数方法计算了导弹的非定常气动力 ,两种方法均适用于亚音速和超音速情况。采用 Nyquist方法和 Bode图方法分析了某导弹的气动伺服弹性稳定性和稳定裕度 ,两种气动力方法所得结果一致。     

高超声速验证飞行器助推分离段流场数值研究

为了模拟有相对运动的多体非定常绕流，发展了基于弹簧近似的非结构动网格方法及耦合动网格的Euler解算器，作为方法验证，模拟了俯爷振动的NACA0012翼型绕流，计算结果与实验及文献结果非常接近。采用二维近似外形，对高超声速验证习行器助推分离段流场进行了数值研究，得到了不同时刻由于多体相对运动形成的干扰流场结构以及分离过程的气动力参数。     

非结构动网格技术及其在超声速飞行器头罩分离模拟中的应用

针对激波诱导物体运动的二维动力学模型,比较了采用流动定常、结合非定常弹道方程的所谓"准定常"计算方法和非结构动网格计算方法,通过流场和运动特性分析,指出发展有相对运动的非定常流动模拟方法的重要性;另外采用修正弹簧近似和局部重构的非结构动网格技术,耦合求解Euler方程及6DOF弹道方程,数值模拟高度H=25km、飞行马赫数Ma=6.0、迎角α=0°状态下火箭抛罩的动力学过程.研究表明,稠密大气层内头罩受到的气动力比惯性力大几个数量级,导致头罩的运动特性完全由气动力控制.分离过程中,头罩和火箭头部之间的气动干扰在时间和空间上都表现出强烈的非线性特征,头罩姿态变化剧烈.本文还对分离过程中部分位置上的流场进行定常模拟,比较了定常和非定常的气动力,所得结论对于分析地面风洞可控轨迹系统(CTS)试验具有指导意义.     

高超声速飞行器加速度导数数值模拟

在Etkin的非定常气动力模型基础上,采用非定常Navier-Stokes方程描述飞行器的非定常强迫沉浮振动流场,采用空间二阶精度的NND格式和"双时间"时间离散法进行数值求解,研究飞行器加速度导数的数值计算方法。并给出了返回舱外形和HBS(Hyper Ballistic Shape)标模外形的加速度导数、旋转导数和俯仰阻尼导数的计算结果及分析。     

基于嵌套网格的内埋物单侧投放影响研究

内埋物投放分离技术是新一代飞行器研制的关键技术之一。首先，基于动态嵌套非结构网格耦合求解流场非定常N-S方程和刚体动力学方程，实现了内埋物投放的精确模拟；然后，研究载机不同飞行姿态对内埋舱内左侧无挂载、仅右侧挂弹投放过程的影响。研究结果表明：正迎角工况对弹体投放分离影响较小，负迎角工况将引起弹体有较大的反方向的横向运动和偏航；负侧滑工况对弹体投放影响较小，正的小侧滑角工况下，在投放分离过程中弹体气动力和气动力矩存在较强的脉动变化；随着侧滑角进一步增大，弹体气动特性的脉动变化减小。     

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

开裂角对阻力方向舵颤振特性的影响

对于无垂尾飞翼式布局飞机,阻力方向舵是一种十分有效的偏航控制装置。偏航控制时,舵面大角度偏转,引起气流分离、涡等复杂流场运动,非定常气动力复杂。计算气动弹性学科提出流固耦合求解方法,以期用于阻力方向舵气动弹性问题的求解。本文采用基于CFD技术的流固耦合方法求解阻力方向舵二维气动弹性问题,计算结果表明,随着开裂角的增大,阻力方向舵的颤振速度增加。对阻力方向舵气动特性进行了计算分析,结果表明阻力方向舵开裂,舵面背风区形成死水区,舵面非定常气动力影响系数减小,阻力方向舵开裂角越大,其颤振速度越大。     

两车速度对超车过程轿车气动特性的影响

利用动网格技术对超车过程中两种相对速度下车辆周围非定常流场进行了数值模拟,得到超车车辆和被超车辆受到的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩在超车过程中的变化情况,并根据两种速度情况下的流场特性,分析其对气动力特性的影响.计算结果表明:超车速度越大,被超车辆最大侧向力、侧倾力矩和横摆力矩越大;超车车辆最大侧向力、侧倾力矩越大,横摆力矩越小.      

两车速度对超车过程轿车气动特性影响的研究

利用动网格技术对超车过程中两种相对速度下车辆周围非定常流场进行了数值模拟,得到超车车辆和被超车辆受到的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩在超车过程中的变化情况,并根据两种速度情况下的流场特性,分析其对气动力特性的影响。计算结果表明：超车速度越大,被超车辆最大侧向力、侧倾力矩和横摆力矩越大;超车车辆最大侧向力、侧倾力矩越大,横摆力矩越小。     

直背式轿车加速行驶气动阻力的计算

用CFD方法对直背式轿车加速过程中非定常外流场进行了数值模拟,计算出不同速度及加速度情况下汽车的气动阻力.结果表明某一速度和加速度情况下气动阻力主要与此刻的速度和加速度有关,其他因素对它的影响较小,并通过两次线性拟合,得出阻力与速度及加速度的计算公式,该公式可以直接计算出汽车在加速行驶时在某一速度和加速度值下的气动阻力.      

口径30mm空心弹真实条件下的气动特性研究

为了更深入细致地研究空心弹在各不同条件下的空气动力学特性及其影响因素,以口径30mm的空心弹为研究对象,通过Fluent软件数值仿真空心弹内外流场,以获得相关数据和气动力参数。对比了空心弹丸和实心弹丸的流场,结果表明：空心弹丸阻力系数比实心弹丸的要小很多。运用不同的控制方程对空心弹丸进行数值模拟,结果表明：采用单方程模型对于阻力系数的计算更精确,对流场的模拟也更接近实验结果。     

变展长战术导弹非定常气动特性研究

以某轴对称基准弹为模型,通过数值模拟对其进行了准定常和非定常气动特性研究,探索可变翼飞行器在变展长过程中的非定常气动特性。结果表明:在弹翼连续变展长的过程中,非定常气动特性曲线在对应的准定常气动特性曲线周围形成滞回环,若来流马赫数增大,则滞回环变小。当来流为超声速时,轴对称基准弹飞行迎角和变形周期对其非定常气动特性影响较小,而非定常气动特性并不显著,接近于准定常气动特性,在可变翼飞行器设计过程中可以忽略不计;当来流为亚声速时,展长变化对非定常气动特性有一定的影响,不能忽略。     

汽车超车过程的空气动力特性研究

采用稳态和瞬态两种方法,对两辆车超车过程中外部流场的空气动力特性进行了数值模拟研究。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法实现了汽车超车过程的三维瞬态数值模拟。通过稳态和瞬态计算,探讨了超车过程中两车纵向相对位置对气动特性的影响以及气动力对汽车行驶稳定性的影响。研究发现超车过程中被超车的阻力、侧向力和横摆力矩都有最大值,并找出了其变化规律。通过对稳态与瞬态计算结果的比较,可以看出:本文采用的瞬态模拟方法能够充分捕捉超车过程中的动态效应,优于传统的稳态模拟。     

螺旋桨飞机滑流非定常数值模拟研究

采用非定常数值模拟方法,基于滑移网格技术,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。用多块结构网格数值模拟软件,从搭接边界建立、搭接网格生成、流场插值传递3个方面对螺旋桨滑移搭接网格的数值模拟方法进行全面详细的介绍,并且阐述基于该技术的非定常数值模拟方法。在此基础上,开展螺旋桨飞机模型验证计算,分析研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响,通过与风洞实验数据的对比分析,验证滑移搭接网格技术的可行性与准确性。研究结果表明,基于滑移搭接网格技术的螺旋桨滑流数值模拟,可以真实反映螺旋桨滑流流场特性,为螺旋桨类飞机的设计评估提供一种有效的数值模拟手段,在工程方面具有重要的实用价值。     

基于变步长CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

采用变步长方法实现非定常Navier-Stokes方程和刚体六自由度运动方程的耦合求解,并对美国ARL旋转弹试验模型的飞行轨迹进行了仿真。旋转弹自由飞行过程中受到空气阻力作用,转速下降,气动力变化趋缓。因此轨迹仿真时先选取较小的时间步长,随着转速的下降逐渐增大步长,这样可以减少计算时间。刚体六自由度运动方程的数值求解采用变步长Adams预估校正法。将定步长和变步长两种方法应用于旋转弹实验模型轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹空间位置、姿态角与试验结果进行了对比,结果显示:方法能较精确地仿真旋转弹飞行轨迹。在相同初始步长条件下,变步长方法较定步长方法计算时间减半;在相同计算时间条件下,变步长方法较定步长方法精度更高。     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。