三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

大展弦比机翼的静气动弹性分析

大型飞机普遍采用的大展弦比机翼,其气动弹性问题显得尤为突出。通过求解基于三维结构网格的Euler/边界层耦合方程组,采用结构模态分析法,对HIRENASD机翼的静气动弹性进行了数值模拟。计算得到了机翼静弹变形前和变形后的压力分布以及不同攻角下翼尖变形值。计算结果和实验值对比分析,验证了Euler/边界层耦合方程组求解器对静气动弹性数值模拟的准确性,表明所发展的数值模拟方法可以用于大展弦比机翼静气动特性的分析研究。     

风洞试验雷诺数/静气动弹性效应分离方法

雷诺数是风洞试验的重要模拟参数之一,目前大多数试验采用增加气体介质密度的方式来提高试验雷诺数。这种试验方式获得的数据中雷诺数与模型静气动弹性效应相互耦合,难以分离,给数据修正和使用带来了较大的困难。针对雷诺数效应风洞试验中雷诺数与结构静变形影响相互耦合的问题,采用流体数值计算和静气动弹性耦合计算相结合的方法,研究了雷诺数和静气动弹性变形对模型气动力系数的影响。在归纳气动力系数随雷诺数和静气动弹性变形的变化规律的基础上,发展了一种雷诺数/静弹性效应数值分离技术,能够准确预测雷诺数与静气动弹性变形对气动力特性的影响。尤其是在刚性模型气动力系数随雷诺数对数呈现近似线性变化的情况下,获得了合理的气动力系数分离结果,为常规风洞增压变雷诺数试验提供了一种简便快捷的数据修正手段。     

转速对小展弦比压气机叶片静气动弹性的影响

采用时域的双向流固耦合方法研究了小展弦比跨声速压气机叶片不同转速下的静气动弹性变形,分析了60%、80%、100%转速下叶片在气动力和离心力共同作用下的变形规律及其对气动性能的影响。结果表明:不同转速下,小展弦比叶片在气动力和离心力共同作用下的静气动弹性变形均以扭转变形为主导,非设计转速下气动力引起的变形所占比例远大于设计转速下所占比例;叶片静气动弹性变形主要改变通道激波位置和激波强度,跨声速工况下静气动弹性变形对气动性能的影响远大于亚声速工况下的影响。     

高精度的机翼静气动弹性数值模拟方法研究

气动结构耦合是研究静气动弹性问题的关键所在。采用三维Euler方程为控制方程,以有限元方法计算结构弹性变形,用细平板样条法(TPS)实现气动结构数据间的转换,进行机翼静气动弹性数值的模拟。算例结果表明,本方法是一种具有很高计算精度和工程实用性的气动弹性模拟方法。     

考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析

为了研究静气动弹性系统在不确定性摄动下的稳定性和性能,建立了一种考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析方法。从静气动弹性系统的物理方程出发,应用摄动理论和线性分式变换推导了由物理参数摄动引起的广义刚度、结构模态和广义定常气动力的摄动模型,然后得到了静气动弹性系统不确定性模型。将结构奇异值μ分析推广应用于静气动弹性鲁棒性分析。以一大展弦比长直机翼为例,分析了机翼前梁的材料弹性模态受到一定摄动时的鲁棒静发散稳定性和静气动弹性变形性能。数值结果验证了该方法是准确有效的。     

基于CFD/CSD方法的跨声速静气动弹性数值模拟应用研究

针对大型飞机跨声速静气动弹性问题,基于CFD/CSD流固耦合方法开展了数值模拟应用研究。具体方法是:采用RANS方程与静气动弹性平衡方程作为计算控制方程,CFD采用多块对接结构化网格进行分区并行计算,并利用多重网格技术加速收敛;使用RBF结合TFI方法进行网格变形;通过TPS插值实现多场数据交换。基于上述方法开发了计算程序,并与典型风洞试验结果开展了对比研究,验证了方法和程序的有效性。最后通过数值模拟结果,分析了跨声速时静气动弹性对典型大型飞机机翼的几何变形、表面压力及气动性能的影响特性。     

基于非结构网格的跨声速静气动弹性计算

基于非结构网格开发了静气动弹性计算程序,通过气动力与弹性变形的交替迭代计算实现流固耦合。气动力求解采用RANS方程,结构变形计算采用柔度系数法,通过面样条(IPS)方法进行柔度系数插值,使用改进弹簧近似法实现网格变形。通过对AGARD 445.6机翼的静气弹计算验证了方法的正确性,同时对机翼的静气动弹性特性进行了分析,计算表明,弹性变形使其升力线斜率下降、焦点前移。     

考虑动力影响的民用飞机静气动弹性分析方法

采用了一种基于多块网格的N-S方程和结构柔度影响系数法,考虑气动、结构非线性的基于RBF插值和RBFDelaunay动网格变形技术的静气动弹性分析方法对喷流对弹性机翼的气动力影响进行了研究。利用DLR F6翼身组合体构型对静气动弹性方法进行验证,保证了计算的可信性。采用该方法对比分析了某民用飞机无喷流/有喷流构型的静气动弹性特性,表明发动机喷流会给机翼带来一个正的扭转效应,抵消一部分机翼后掠效应的影响,使机翼前后缘挠度均会有所增大,弹性变形引起的多数剖面的附加扭转角有所减小。研究表明:喷流影响会使刚性机翼表面的压力分布发生变化,升力系数有所损失;考虑喷流的机翼静气动弹性变形是一个耦合效应,发动机喷流区主要受喷流影响,外翼段主要受弹性变形影响。数值模拟结果表明:无喷流影响时机翼的弹性变形使升力系数下降约16%,升阻比下降8.4%,考虑喷流影响时,升力系数下降达到18%,升阻比下降36%。因此,对于大展弦比机翼,考虑喷流影响的静气动弹性分析十分必要。     

一种三维弹性机翼气动优化新方法

基于控制理论方法和有限元分析软件,通过将网格生成、流场计算、有限元分析、粘性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,研究与发展了计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法,其中,雷诺平均Navier-Stokes方程为主控方程,气动载荷和结构静弹性变形量由气动/结构方程的耦合迭代求解得到,目标函数梯度信息由共轭方程数值求解得到。典型大展弦比机翼气动减阻设计结果表明：研究及发展的计及静气动弹性影响的三维机翼气动优化设计方法是有效的,能够有效考虑静气动弹性的影响。     

低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应

建立了一个新的非线性气动弹性模型,对低速流场中柔性悬臂板的后颤振响应特性进行了分析。建模中考虑了结构几何非线性、气动力非线性以及两者之间的强耦合效应。通过实验数据对所建立的气动弹性模型进行了验证。发现在低速流场中柔性悬臂板可能会以周期加倍的方式进入混沌运动。结构几何非线性效应和翼尖涡引起的非定常气动力效应对柔性悬臂板的结构响应有显著影响,而尾涡变形引起的非定常气动力对结构运动的影响较小。还研究了不同耦合算法的差异,给出了小展弦比大柔性结构非线性气动弹性数值仿真时耦合策略的选择依据。     

基于高拟真度模型的高超声速飞行器静气动弹性优化

为解决基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)高拟真度模型的静气动弹性优化过程中模型更新自动化困难、求解速度慢的难点,提出了基于几何主模型技术的CFD/CSD一体化参数化建模方法和基于网格单元修正的常体积四面体(CVT)数据交换技术,并引入响应面模型来降低气动弹性优化求解难度.通过AGARD 445.6机翼静气动弹性分析对上述方法的可行性和有效性进行了验证;并以某高超声速飞行器为例,采用基于二次响应面的多目标优化算法进行了CFD/CSD气动弹性分析与优化,优化后飞行器升阻比增加16%,结构质量减少9%,且响应面模型精度拟合误差不超过1.5%.计算结果表明:所发展的CFD/CSD一体化参数化建模与优化方法能够有效地解决高拟真度模型的静气动弹性优化问题.      

基于CFD和CSM耦合的通用静气弹分析方法

提出了一种适用于有限元精细化建模的流固耦合插值点选择方法,通过RBF(径向基函数)方法实现流固耦合面的数据交换,实现了基于CFD/CSM(computational fluid dynamics/computational structural mechanics)耦合的通用非线性静气弹分析方法。以HIRENASD(high Reynolds number aero-structural dynamics)风洞试验模型为验证对象,数值结果很好地与风洞试验结构变形、气动压力分布吻合,验证了所发展非线性CFD/CSM耦合静气弹求解器的精度。详细研究了HIRENASD模型在大迎角(AOA)流动下的静气动弹性特性,以及该模型弹性变形对机翼气动特性影响规律。研究表明:HIRENASD弹性模型变形后其升力小于刚性模型;在小迎角范围内刚性、弹性模型升力差随迎角增大呈线性增长;当迎角大于4°后,升力差先减小后基本保持不变,呈非线性关系。      

基于非线性试验气动力的飞机静气动弹性响应分析

分别使用线性和非线性静气动弹性分析方法,对某飞机纵向静气动弹性响应特性随飞行动压、攻角、平尾偏度和纵向过载变化的趋势进行了分析,并将分析结果和飞行试验进行了比较。线性方法的气动力计算使用亚音速偶极子格网法。非线性方法由风洞试验提供刚体气动力,并使用线性气动力影响系数矩阵对其进行弹性化处理。通过对两种方法的计算结果进行对比分析可以看出:①使用刚体试验气动力的非线性分析方法能够获得和飞行试验比较一致的结果;②在线性方法所提供的结果中,翼面的弯曲变形及剪力、弯矩和扭矩等部分参数能为初步设计提供大致参考,但气动力系数的弹性增量、翼面的扭转变形、翼面的剪力、弯矩和扭矩的弹性部分可能不能为型号设计提供正确的指导;③不论刚体气动力为线性还是非线性,气动力系数随动压变化的趋势均呈线性。     

跨声速风扇叶片的静态气动弹性问题

使用时域的流固耦合数值计算方法,研究了跨声速风扇叶片在气动力和离心力共同作用下的静态气动弹性问题,分析了叶片在不同工况下的变形规律及叶片变形对整体气动性能的影响.NASA rotor 67的静态气动弹性计算说明气动力对叶片最大变形的贡献达13.07%, 而且叶片变形明显地改变了通道激波的位置和强度.宽弦空心跨声速风扇叶片的静态气动弹性计算说明叶片变形对总体气动效率的影响为0.15%~ 0.5%,其中气动力对变形贡献在叶片尖部的前缘可达41%,考虑气动力引起的变形使得该风扇的流量增大,气动特性线整体向右偏移.计算结果说明:气动力的非线性对跨声速风扇叶片静态变形问题有显著的影响,工程实践中从设计叶型到制造叶型的反扭过程应该采用流固耦合方法以得到更准确的叶型.      

基于高精度模态气动力的跨声速静弹高效分析方法

跨声速静弹分析一直是工程设计中的难点问题,以模态坐标系下的线性静弹方程为基础,提出了基于高精度模态气动力的跨声速静弹高效分析方法,该方法仍需求解线性静弹方程,但对于其中关键的模态变形引起的弹性气动力增量,采用由结构变形到气动力的单向计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)/计算结构动力学(Computational Structural Dynamics,CSD)耦合方法获得,实现了高效线性方法与高精度CFD/CSD耦合方法的有效融合。以某小展弦比机翼基本状态、舵偏状态以及某型战斗机跨声速副翼效率的静弹分析为例,对比分析了本文方法、经典线性方法、CFD/CSD耦合方法的计算结果以及某型机的试飞辨识结果。分析结果表明,所提出的方法在计算效率、精度和鲁棒性方面具备综合优势,具有较高的工程应用价值。     

基于动态边界的跨声速压气机过渡态载荷研究

针对航空涡轮发动机压气机部件的过渡态,基于动态边界并结合双向流固耦合（FSI）方法模拟了跨声速压气机NASA Rotor 67的过渡态过程,获得了考虑叶片弹性变形的压气机过渡过程特性曲线,研究了叶片气动弹性变形对跨声速压气机加速过程中气动参数、流场激波结构演变过程的影响,分析了加速过程中非定常气动载荷与离心载荷共同作用下的叶片变形特征。结果表明:随转速升高,叶片变形对上半叶高区域的总压比和总温比的影响较显著;加速过程中,叶片变形对通道内激波结构特征及其演变有一定的影响;叶片变形主要集中在上半叶高,以弯曲变形为主导,主要由离心载荷造成,加速过程中叶尖区域的叶型出现反扭现象,从而引起压气机气动性能参数的变化。      

模态选取对静气动弹性分析的影响

静气动弹性研究中关于结构的分析通常采用柔度法和模态法。相比技术成熟、计算量大的柔度法,模态法具有阶次低、求解快和便于试验验证的优点。但其作为近似的分析方法,在工程应用中需要一定的经验,尚缺乏模态选取的准则,该研究的目的是为模态法的工程应用提供模态选取的定量评价标准。针对某典型飞行器进行升降舵效率、副翼效率及气动导数弹性修正等分析,提出模态影响系数的概念来评估模态的选取对这些气动弹性分析的影响。结果表明,模态影响系数指标合理,能够反映模态选取对静气动弹性特性的影响,可以作为模态法中模态选取的定量评价指标。