环形燃烧室参数化建模系统的设计与实现

鉴于实体建模和网格生成在CFD中占用大量人工时间。本文针对航空发动机环形燃烧室开发了专用的CFD前处理软件,主要包括参数化的燃烧室三维建模程序,提供从构建模型到生成网格的有效途径,快速完成燃烧室CFD的前处理工作,从而能够有效提高燃烧室的设计效率,缩短研制周期。此外还利用UG二次开发语言UG/Open GRIP,编制了数据转换程序,实现了本参数化设计软件和其他CAD软件(UG)的数据共享。     

计算空气动力学的三维流场可视化

本文介绍了一个用于计算空气动力学三维流场可视化的软件系统,它包括复杂的计算网格显示、几何外形显示、流线显示、迹线显示和各种物理量的等值线显示等几个子模块,该系统在先进的图形工作站上研制,具有良好的用户接口,能很好地描述气动力计算中随时间和空间变化的物理现象。     

航空发动机燃烧室参数化建模

实体建模和网格生成在CFD中占重要地位。针对航空发动机燃烧室开发了专用的CFD前处理软件,主要包括参数化的燃烧室3维建模程序,提供从构建模型到生成网格的有效途径,可快速完成燃烧室CFD的前处理工作,从而有效提高燃烧室的设计效率,缩短研制周期。此外,还利用UG2次开发语言UG／OpenGRIP编制了数据转换程序,实现了本参数化设计软件和其他CAD软件（UG）的数据共享。     

基于FlightGear的飞行导航数据可视化仿真研究

飞行器的飞行导航数据显示是控制其飞行轨迹不可缺少的一部分,针对飞行导航数据可视化仿真分析的需求,本文讨论了基于FlightGear软件的飞行导航数据可视化的实现方法。首先分析了FlightGear软件的特点及其相关组件的功能;之后,在导航系统工作基本原理的基础上,研究了导航数据三维可视化显示的可行性;最后针对FlightGear软件的特点以及与外部数据的传输方式,设计了导航数据可视化显示方案,实现了对飞行导航数据的三维可视化显示,达到人机交互的效果。     

NNW-TopViz流场可视分析系统

流场可视化技术采用图形图像直观地表现CFD数值模拟的计算结果,使用户能够方便地对这些数据进行分析、比较和研究。然而,CFD数值模拟的流动复杂,其产生的流场数据规模巨大、数据类型复杂、特征提取困难,传统的串行可视化软件效率低、交互手段单一,难以满足数据分析的需求。国家数值风洞（NNW）工程研制了一套流场数据处理可视化软件系统（NNW-TopViz,简称TopViz）,具有对流场数据处理与特征提取、几何图形绘制等可视化与交互功能。根据可视分析效率需求,TopViz实现了线程并行,在多核计算环境下有效提高了可视化计算和交互效率;针对流场特征提取困难、常规方法效率低的问题,TopViz实现了基于卷积神经网络的流场旋涡特征提取方法,提升了特征提取准确率和效率;为提高软件交互效率并提供便捷的交互方式和体验,基于头戴式显示设备和体感控制器构建沉浸式虚拟显示与交互平台,TopViz实现了手势和眼球凝视2种交互方法,提供沉浸式环境下多视图、多角度流场探测方式。     

叶轮机械叶栅流道几何处理的计算方法

叙述了叶轮机械叶栅流道网格生成前的几何处理的计算方法,通过将处理后的数据保存为PLOT3D文件格式,可以在其他CFD软件中直接使用,或在商业网格生成软件中快速获得叶栅流道的实体造型,与传统的在CAD类软件中进行交互式几何处理相比,可以大大缩短CFD计算周期。     

航空发动机主燃烧室出口温度场可视化设计

为了满足航空发动机主燃烧室试验出口温度场可视化需求,基于主燃烧室出口温度场测试原理,通过温度数据网格化、温度数据-颜色映射、以云图形式显示出口温度场数据的方法进行温度场可视化设计,并在Visual Basic 6.0下基于Tee chart控件开发了出口温度场可视化软件。应用结果表明:在试验中,通过与现有测控软件出口温度场数据交互,可视化软件能够实时、真实、直观地显示主燃烧室出口温度场变化情况,有助于试验人员快速判断出口温度场品质,进而缩短试验时间,降低试验费用,有效提高试验效率。     

空基回收无人机头部扰流场CFD仿真与分析

针对空基回收过程中无人机头部扰流近距对浮标产生显著干扰、影响对接安全和效率的问题,本文运用计算流体力学(CFD)软件对无人机头部扰流特性及影响进行仿真与分析。首先,借助SolidWorks软件对无人机和浮标进行三维建模;其次,运用CFD软件围绕无人机头部和浮标模型建立外流场计算域并对其进行网格划分及迭代计算;再次,模拟仿真多组浮标与无人机间典型相对位置情况下的机头-浮标附近速度场、压力场和拖曳浮标所受扰动力数据;最后,基于上述试验数据,对比分析了无人机头部流场内气流速度及对浮标扰动力变化规律。本文探讨内容可为进一步提高缆绳拖曳浮标稳定与空中对接控制精度提供参考依据。     

基于面向对象的非结构航空CFD软件体系结构设计

基于面向对象程序设计思想和航空计算流体力学（CFD）流程,设计了包含基础功能层、功能模块层和应用程序层的CFD软件体系结构,实现了面向航空飞行器空气动力学问题的非结构网格Navier-Stokes方程求解软件ARI-CFD V1.0的研制。同时,也通过二维零压力梯度平板和二维翼型算例对软件的有效性进行了验证。此外,ARI-CFD软件采用面向对象设计,有效解决了早期航空CFD软件采用面向数据流的结构化设计所带来的可维护性差、可重用性低以及大型工业程序研制周期长等问题,可以为面向航空飞行器设计的多学科仿真软件高效、可持续性研制提供有效支撑。     

FlowStar:国家数值风洞(NNW)工程非结构通用CFD软件

计算流体力学（CFD）仿真软件是流体相关的数学物理知识和工程实践经验的数字化表达,是工业数字化转型的重要助推。然而,大型工业CFD软件研发难度极高,需要同时兼顾功能多样、系统稳定、性能优越、交互友好等特征。依托国家数值风洞（NNW）工程,研发出一款通用流场模拟软件NNW-FlowStar,并在航空、航天等工业部门大力推广使用。软件基于非结构有限体积求解方法和大规模并行计算技术开发,结合现代化软件工程思维设计,具备先进的数值方法、高效的计算效率和友好的用户操作界面,可满足各类复杂外形的高效气动模拟。独特的重叠网格技术配合六自由度运动模块,可帮助实现武器分离、舱门定轴转动等各类气动-运动协同仿真需求。多类标模案例和复杂工程应用表明,FlowStar软件算法鲁棒、精度可靠,是一款高精度、高效率、高可靠性的通用CFD仿真软件。通过对软件的架构设计和功能应用进行介绍,使相关从业人员能更好地了解FlowStar软件,最终促进国产自主CFD软件生态的良性发展。     

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。     

机翼设计软件的完善及商用化研究

在对原有的机翼设计软件进一步完善的基础上,开发了基于Windows操作系统的设计软件工程包;通过图形用户界面实现了设计过程的菜单式选择和设计变量的模块化输入;开发了设计过程中目标压力分布的可视化修改模块,设计过程的实时显示模块,及与其它图形绘制软件的接口;提高了软件的可视化程度,使原有的机翼设计软件的商用性得到了很大的提高,探讨了国产CFD软件商用化的可行性。     

跨声速涡轮叶栅三维流场的数值模拟

以具有试验测量数据的一个高压涡轮动叶中截面平面叶栅和一个高压涡轮导向器环形叶栅为对象,采用计算流体动力学(CFD)软件CFX-TASCflow,对两个涡轮叶栅的跨声速三维粘性流场进行了数值计算,验证了CFX-TASCflow软件在航空燃气涡轮设计计算中的可靠性,并对所研究的跨声速涡轮叶栅粘性流场进行了分析.      

CFD计算结果的静态及动态可视化显示方法

针对某翼型设计的 CFD计算结果,采用色调连续变化的图像映射方法,基于划分的计算网格,提出了三角单元结构的抽取和将 Gouraud-Shading与质心坐标插值法相结合的扫描线转换算法,并根据 HSV颜色模型的特点建立了可视化标量与颜色值之间的两种线性对应关系,在此基础上实现了翼型设计的 CFD计算结果中流体流函数和旋涡强度二维标量场的静态和动态可视化显示,实例证明了算法的有效性。     

大规模CFD流场可视化分析系统的应用

设计了大规模计算流体动力学（CFD）流场可视化分析系统（FVAS）,系统具有完善而实用的大规模三维定常和非定常流场数据预处理与特征提取、体绘制、几何图形（流线、等值面等）绘制、纹理绘制等功能,并提供多种数据分析手段和良好的交互方法.通过8种展示方式、3种显示模式以及5种视图类型展示流场数据内外流结构特征及其复杂的物理现象.同时系统针对时变数据提供动画展示功能并支持单机多核并行.案例分析表明该系统简单实用,通用性高,多种混合绘制技术能够有效展现燃烧室、进气道等流场数据内部反应情况,切面、剖分等交互方式多视图显示局部细节特征,并通过图表、曲线图等分析工具统计分析具体网格单元的信息.完成测试案例300例,与传统CFD软件相比提升70%以上的绘制效率,系统故障率为0.6%,功能事务成功率100%,有效加速对流场数据的分析统计过程.      

航空发动机转子系统模拟支承设计与刚度计算

为了进行实际航空发动机转子系统组装状态下的模态试验,模拟实际航空发动机转子支承刚度,设计了转子支承结构,在CATIA软件中建立了支承的三维实体模型,将三维模型导入ANSYS Workbench中,采用自动生成网格,考虑到不同的网格划分大小对结果的影响,对支承的不同结构划分了不同大小的网格。为了精确计算支承刚度,对轴承座采用空心轴内表面上加面力、空心轴外表面上加轴承载荷、轴承外圈内表面上加轴承载荷三种施加载荷方式,并进行了计算结果比较,结果表明,支承设计满足了实际航空发动机的转子支承刚度需求,转子支承刚度的计算方法正确可靠。     

经典跨声速翼型RAE2822数据分析

经典跨声速翼型RAE2822风洞试验数据长久以来被广泛用于CFD计算方法和软件的验证与确认，但是数据的正确使用或者说合理使用仍存在一些需要研究和注意的问题，包括计算网格、风洞试验数据修正、中弧线修正、翼型几何定义和建模，以及摩擦阻力系数和边界层速度剖面的原始定义等。在开展CFD研究之前，必须首先对计算方法进行验证，尤其是要先尽可能消除计算结果对计算网格的依赖性；经过对目前可开放使用的计算网格的不足之处进行分析，研制了一套高品质的计算网格并获得了预期的一阶网格收敛性；通过计算软件交叉验证，进一步确保所用计算软件的可信度。在将CFD计算结果与翼型风洞试验数据进行比对时，通常需要对马赫数和攻角进行修正，且如何修正是一个需要持续研究的问题；翼型中弧线修正是一种有效的方法，但需要考虑流动参数的影响。原始翼型几何构型采用有限离散点定义，计算网格生成过程中需要采用插值方法布置型面网格点，不同插值方法对于翼型前缘附近流动的数值模拟有细微影响。多数相关研究工作只比对压力分布；少数研究工作会比对摩擦阻力系数、边界层及尾迹速度剖面，但在比对时，需要注意原始风洞试验相关参数定义与CFD计算常用定义的区别。     

航空发动机整机振动可视化仿真

航空发动机整机振动可视化仿真技术是整机振动与分析的重要组成部分,通过将计算仿真和实验数据进行动画显示,可以动态地观察到转子系统的振动,转静间隙的变化规律,以及容易产生转静碰摩的部位,从而更加方便地评估发动机振动状态,诊断发动机故障。为了突出整机振动可视化重点,依据有限元梁模型构建二维显示模型,并基于面向对象的方法,建立了航空发动机可视化的部件与整机模型。模型的建立与修改方便容易,同时利用仿真数据驱动动画模型,直观有效地展示了航空发动机整机振动过程。     

数值空气动力学在DLR(德国宇航研究院)

德国在若干年前启动的国家CFD项目MEGAFLOW集中了DLR、大学以及航空工业界的许多CFD研究开发工作,目的是开发并验证能满足工业实践所要求的可靠并有效的数值工具,以对全机进行空气动力模拟.MEGAFLOW软件系统包括多区结构网格中求解N-S方程的软件FLOWer和在非结构网格中的软件TAU.两软件均已达到很高的成熟度并为DLR和德国航空工业广泛地应用于新飞机的设计过程.最近又启动了其后续项目MEGADESIGN和MegaOpt,旨在开发和增强外形设计及优化的有效数值方法.着重介绍了软件最近的改进及其计算粘性流动绕复杂飞机外形的能力.     

SABRE系统振动分析前后处理软件的设计与实现

针对国产大型CAE软件SABRE系统振动分析求解功能对基于图形交互的前置建模与后置求解结果数据的可视化需求,基于模块化的程序设计思想设计并实现了SABRE振动分析前后处理软件。软件兼容性方面,设计了适配频响分析与随机响应分析的数据结构,并通过函数重载解决了振动分析前后处理软件与SABRE基础平台的数据兼容性与接口兼容性问题;界面设计方面,基于Qt实现了满足振动分析流程需求的图形交互前后处理界面;数据可视化方面,以三角形网格为基础生成等值线,建立了物理场量值与颜色的对应关系,实现了后处理数据的云图可视化,并基于QWT实现了数据的曲线可视化。