动力效应对民机高速抖振特性影响数值研究

民机的高速抖振通常是由机翼上激波诱导的分离所致,而发动机动力效应可能会对机翼上激波的强度带来明显影响.基于经过TPS标模及DLR-F6标模算例验证的、在多块结构化网格系统上求解雷诺平均N-S方程的数值方法,结合通过定常计算结果判定抖振发生原因及起始升力系数的方法,研究发动机动力效应对某民机巡航构型高速抖振特性的影响.结果表明:动力效应给基于通气短舱设计外形的高速抖振特性带来了不利影响,使其抖振起始升力系数降低约1.3％总升力系数.     

基于嵌套网格的CHN-T1标模数值模拟

为响应第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1),对CHN-T1标模翼身-尾翼组合体构型采用两种RANS求解器进行了基于结构化嵌套网格的网格收敛性研究和抖振特性计算,并与对接网格结果进行了对比分析。参考AeCW-1网格生成指南自主研发了一族以约3.3倍规模增长的稀-中等-密-特密嵌套网格系列。相比于分区点对接网格,融合了贴体网格和笛卡尔网格优势的嵌套网格从根本上降低了网格生成难度,单块网格拓扑形式更为合理且正交性较好,同时能够有效地平衡近场和远场的网格量。对于跨音速运输机构型,同等规模下嵌套网格的物面网格密度较对接网格更大,能够对激波和分离等复杂流动进行更理想的预测。对比计算过程中,自研求解器OFS3D表现出了较高的嵌套网格计算效率和可靠性,而NASA CFL3D求解器的嵌套网格计算能力有待进一步挖掘和验证。计算还发现,不同湍流模型得到的表面压力分布、分离区大小以及最大升力系数存在差别,而风洞模型支撑和机翼静气弹变形对飞行器力矩特性预测影响较大。     

基于S-A与SSG/LRR-ω两种湍流模型的CHN-T1标模计算与分析

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,对第一届AeCW-1研讨会上要求的所有工况进行了计算,着重研究S-A湍流模型和雷诺应力模型在CHN-T1标模上的表现,评估两种湍流模型的网格收敛性,对抖振特性的模拟能力以及对雷诺数的敏感性。根据与实验数据的对比分析,得出主要结论如下:两种湍流模型都能趋向于网格收敛,雷诺应力模型的网格收敛更快。在较大迎角的工况,两种湍流模型对机翼上激波诱导的分离流有较大的差别。CHN-T1标模的尾撑,改变了飞机平尾的压力分布,并且在飞机机尾上产生复杂的三维分离流动,对俯仰力矩系数的准确计算产生了较大的影响。考虑静气弹效应,两种湍流模型计算的力矩系数比不考虑静气弹效应更大,雷诺应力模型的偏差更大。在高雷诺数工况,两种湍流模型的计算结果趋于一致。     

基于非结构网格求解器的CHN-T1标模气动特性计算研究

高可信度计算流体力学(CFD)技术在大型运输机精细化气动设计中发挥着越来越重要的作用。虽然目前基于RANS方程的数值模拟技术已经应用于大型运输机复杂外形的气动性能计算与分析中,但其可信度仍需进一步确认。针对AeCW-1组委会发布的CHN-T1运输机标模,采用基于RANS方程的非结构网格求解器TNS进行了气动性能计算,并与组委会提供的风洞试验结果进行了对比。此外,还研究了网格量和湍流模型等因素对巡航气动特性计算结果的影响,以及支撑干扰和静气弹变形对跨声速抖振特性的影响。结果表明,TNS预测的巡航升阻比及跨声速抖振特性等气动性能与试验值吻合良好,计算结果完全位于试验值误差带内,验证了所采用的非结构网格求解器在大型运输机复杂外形气动力预测中的可靠性。     

运输机标模CHN-T1的验证确认计算研究

采用自研的非结构混合网格解算器CARIA-OVERSET对我国第一届航空CFD可信度研讨会提供的运输机标模CHN-T1进行了验证确认计算。重点研究了网格形式、网格尺度、湍流模型等对运输机标模CHN-T1的总体气动特性、局部流场特征、压力分布以及计算收敛性等的影响,并把计算结果与风洞试验数据进行比较分析。分析结果表明,非结构混合网格解算器的计算结果与风洞试验数据吻合度较好。在固定升力条件下,非结构网格的网格尺度误差大于结构网格,湍流模型对迎角和俯仰力矩的影响较大,翼身结合处的分离特性模拟差异较小。带支撑构型的全机升力和低头力矩增加、阻力减小,机翼静气弹变形后升力、阻力和低头力矩均减小。全湍和自由转捩模型的计算结果存在一定差异,差异随着雷诺数的增大而变小。     

基于非结构混合网格的CHN-T1标模气动特性预测

本文使用自行研制的基于非结构混合网格的亚跨超声速流场解算器MFlow,对AeCW-1提供的客机标模CHN-T1进行了数值模拟研究。介绍了非结构混合网格的生成情况,重点分析了网格收敛特性、压力分布、气动特性曲线、流动分离等。计算得到了近似线性的网格收敛特性。随着网格加密,对激波和分离气泡的模拟更精细。尾支撑对气动特性的影响非常明显,特别是对平尾气动特性有很大影响。机翼静气动弹性变形的影响主要是使升力系数和阻力系数减小。湍流模型的QCR修正对大迎角计算结果有较大的影响。计算结果表明,MFlow程序能够准确地预测客机标模的气动特性。     

采用TRIP3.0模拟CHN-T1模型气动特性

采用TRIP3.0软件平台(TRIsonic Platform version 3.0),对第一届航空CFD(Computational Fluid Dynamics)可信度研讨会组委会提供的运输机标模构型(CHiNa-Transport,CHN-T1)进行了流动数值模拟。本文采用粗、中、细三套网格及百亿极细网格进行了网格收敛性研究;采用相应网格分别从气动特性、压力系数分布曲线、表面流态三个方面分析,研究了支撑装置、机翼静弹性变形以及雷诺数效应对CHN-T1构型气动特性的影响。数值模拟结果与试验结果有良好的一致性。数值模拟得到了网格收敛结果;支撑装置对力矩特性影响较大;机翼静弹性变形对气动特性影响较小;雷诺数效应对气动力特性影响较大。     

基于HyperFLOW平台的客机标模CHN-T1气动性能预测及可信度研究

近年来,针对实际飞行器外形的CFD气动性能预测及可信度研究逐步得到重视,国内也召开了第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1)。本文首先基于自主研发的CFD软件平台HyperFLOW对NACA0012翼型低速绕流进行了网格收敛性研究,验证了软件对简单湍流问题的模拟能力且具备良好的网格收敛性。其次,针对AeCW-1提供的客机标模CHN-T1,选用其中的两个算例:(1)定升力系数的网格收敛性研究;(2)考虑模型支撑和模型静气动弹性变形的抖振特性研究,研究了计算结果的网格收敛性及模型支撑、静气动弹性变形和湍流模型等对气动特性预测精度的影响。结果表明:观测精度阶和网格收敛性指数显示数值结果具有良好的网格收敛性和可信度;是否考虑模型支撑对力矩的预测精度影响较大,引入尾撑和弹性变形后,数值结果与实验结果吻合较好;对于CHN-T1标模,采用QCR关系式对原始SA模型进行修正对标模力矩特性有一定影响。     

机翼跨声速抖振数值模拟及模态分析

绕机翼的跨声速抖振流动是典型的复杂不稳定流动，对其非定常特性及失稳机制的研究具有重要的工程和学术价值。通过非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）仿真方法和动模态分解（DMD）分析手段，研究了CRM（Common Research Model）等典型机翼的跨声速抖振流动特性及其主要失稳模态。数值仿真结果表明机翼的跨声速抖振表现为多失稳模式下的宽频特性。除了激波的弦向失稳，还会伴随发生激波的展向失稳，它们都表现为低频特性。翼梢处的高频响应可能是由激波诱导的低频失稳与翼尖涡相互耦合形成。DMD分析结果显示机翼展长和后掠因素诱导了激波展向失稳模态。本研究对抖振流动的物理建模、控制及理解相关的气动弹性现象具有指导意义。     

宽体客机气动标模CHN-T2设计

发展商用运输机标模是我国独立发展具有自主知识产权的先进民用飞机的重要支撑手段,对验证CFD技术和确认风洞试验品质具有重要意义。结合国内外主流宽体商业客机的布局特点和气动设计需求,基于自主开发的AMDEsign设计平台,设计研发了宽体客机标模CHN-T2。标模设计马赫数0.85,设计升力系数0.48。模型充分体现了主流宽体商用客机典型的双通道机身/超临界机翼/平立尾/翼吊通气短舱等几何特征,具有典型的部件间强干扰/激波分离/转捩等流场特征以及优异的高亚声速巡航/高升阻比气动效率等性能特征。通过气动外形优化设计、短舱吊挂组件影响及雷诺数效应等研究,并结合风洞试验数据对比分析,最终确认CHN-T2模型巡航升阻比达到21.8、阻力发散马赫数约为0.872、抖振边界大于1.3倍巡航升力系数、风洞试验准雷诺数为3×10⁷。研究认为,CHN-T2模型具有良好的气动性能,能够作为先进宽体客机气动标模进行应用推广。通过持续建立的丰富气动数据库和流场影像,可有力支撑宽体客机流动机理分析、CFD技术验证与确认、先进风洞试验技术发展验证、CFD与风洞数据相关性等研究。     

CRM翼身组合体模型高阶精度数值模拟

基于五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了CRM翼身组合体模型的高阶精度数值模拟,以评估WCNS格式对复杂外形的模拟能力以及典型运输机巡航构型阻力预测的精度。首先依照DPW组委会提出的网格生成指导原则,利用ICEM软件生成了粗、中、细、极细四套网格,网格规模从"粗网格"的2 578 687个网格点逐渐扩展到"极细网格"的65 464 511个网格点。研究了设计升力系数下,网格规模对气动特性、压力分布和翼根后缘局部分离区的影响,采用"中等网格"开展了抖振特性的数值模拟研究。通过与二阶精度的计算结果、DPW V统计结果和部分试验结果的对比分析,高阶精度数值模拟结果表明,阻力系数计算结果与DPW V统计平均结果吻合较好;网格密度对机翼上表面的激波位置和翼身结合部后缘局部分离区略有影响;迎角为4°时,升力系数下降的主要原因是机翼上表面激波诱导分离区和翼身结合部后缘局部分离区的增加。     

跨声速机翼抖振初始迎角N-S方程定常计算分析

 应用代数法和椭圆型方程优化相结合的方法生成翼身组合体块结构网格。采用有限体积空间离散法和五步Runge-Kutta显式时间推进法求解N-S方程。基于雷诺平均N-S（RANS）方程,选用Spalart-Allmaras（SA）一方程模型模拟紊流。根据N-S方程定常计算结果,采用升力曲线、俯仰力矩曲线、后缘压力发散、跨声速激波位置以及机翼表面极限流线等几种判据,对跨声速机翼的抖振初始迎角进行了合理的预测分析。     

激波控制鼓包对跨声速抖振影响的数值研究

在跨声速飞行时,激波控制鼓包不仅能够减弱机翼上表面的激波强度从而降低波阻,对跨声速抖振也有一定的改善作用。通过URANS方法数值模拟来探究二维激波控制鼓包对OAT15A超临界翼型跨声速抖振性能的影响规律,并研究以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计的鼓包的区别。以巡航设计点减阻优化设计出的鼓包,在抖振条件下,能够推迟了翼型上表面的压力恢复,减弱了激波与边界层的相互干扰作用,达到减弱抖振幅度的效果,然而不能对抖振实现完全抑制。通过改变鼓包相对位置、高度和长度计算得到鼓包参数对抖振的影响规律,分析典型流场得到鼓包抑制抖振现象的工作机理是：鼓包减弱了激波强度的同时,阻碍了鼓包尾部边界层向上游移动与激波相互干扰,从而稳定了激波抖振现象。另外,基于巡航设计点减阻设计的2个鼓包相对参考位置距离分别为0.04c和0.10c(c为翼型弦长),与同等高度鼓包在抖振状态完全抑制抖振且不降低升力的位置范围的[-0.01,0.02]c和[0.01,0.08]c不同,二者位置最小相差0.02c,而鼓包这段距离差异对巡航特性和抖振性能都有着重要影响作用。总而言之,以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计得到...     

微型凸起流动控制用于翼型的减阻特性研究

微型凸起作为减小阻力的一种有效措施已经备受关注.开展了等熵压缩"弱激波"干扰鼓包用于RAE2822超临界翼型的减阻作用机制研究以及NACA0012对称翼型表面脊状结构减阻特性的数值模拟研究.结果表明:通过鼓包参数最优匹配,可达到弱化激波、减小波阻、提高升阻比、延缓抖振边界等目的;同时,通过对比不同脊状结构、不同网格密度对计算结果的影响,总结了多个速度下脊状表面的减阻规律.所得结论为进一步开展微型凸起类流动控制用于机翼的减阻特性研究奠定了坚实基础.     

开缝空腔抑制翼型跨声速抖振的数值模拟

采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方法计算了18%双圆弧翼型的跨声速抖振特性,分析了翼面激波振荡及流场结构演化的特点,研究了在翼型表面开通气空腔抑制跨声速抖振的可行性,对空腔深度、开缝数目对激波振荡的抑制效果进行了对比分析。计算发现,18%双圆弧翼型的跨声速激波自激振荡只有向前的运动,没有向后的运动,开缝空腔能够抑制翼型跨声速抖振,但对抖振频率影响不大;空腔深度大,抑制效果好,但空腔深度变化对振荡频率影响不大;开2、3、4个槽缝抑制抖振的效果差别不大,开缝数量对抖振频率影响不大。     

NASA共同研究模型翼身组合体数值模拟研究

采用结构网格求解器WiseManPlus软件,对DPW5提供的NASA共同研究模型CRM翼身组合体构型进行数值模拟研究.采用雷诺平均N-S方程,选择SA一方程湍流模型和SST两方程湍流模型,开展了网格收敛性分析及抖振分析计算研究,评估了该软件对此类民机构型的阻力预测能力.按照DPW5的要求,采用会议统一提供的基准结构网格进行计算分析,研究结果表明,计算的巡航设计点的阻力及大攻角下的气动力系数与试验值吻合较好,达到会议统计分析平均水平.计算结果表明,所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件计算精度较高,适用于大型民机高速巡航及抖振现象的数值模拟研究.     

基于隐式嵌套重叠网格技术的阻力预测

 采用一种多层多块隐式嵌套重叠网格技术,对美国国家航空航天局通用化研究模型(NASA-CRM)翼身平尾(WBT)组合体进行了数值模拟与分析。多层多块隐式嵌套重叠网格技术是结合多层多块嵌套重叠网格处理策略和隐式切割方法,在建立重叠网格之间的流场信息传递关系时,基于网格单元切割准则选择"最优"重叠单元而无需人工设定插值边界。对美国AIAA委员会召开的第4届阻力预测研讨会(DPW-4)提供的CRM WBT组合体生成4种不同密度的结构化多层多块嵌套重叠网格,并采用计算流体力学(CFD)方法进行数值计算和阻力预测,计算结果与CFL3D和OVERFLOW的结果进行了对比。数值模拟结果表明:计算得到的压力分布和极曲线与CFL3D和OVERFLOW的结果几乎相同,说明了隐式嵌套重叠网格技术的有效性,同时也验证了流场求解方法与程序的可靠性。当迎角增大到3°左右时,在机身与机翼、尾翼连接处出现明显的分离涡,影响CRM WBT组合体的气动特性。在阻力预测方面,增加网格密度能够提高阻力预测的精度。采用不同的湍流模型会导致升、阻力系数的计算结果存在一定的差异,因此,湍流模型的选择也是阻力预测需要考虑的因素。     

发动机进排气效应对民机构型气动特性影响

基于非结构混合网格技术,通过数值求解Navier-Stokes方程,分析了航空发动机进排气效应对民机构型气动特性的影响。通过设置合适的进排气边界条件来模拟发动机进排气效应的影响,采用单独发动机短舱风洞试验模型,验证了计算方法的可靠性。在此基础上,分析了发动机进排气效应对翼吊式和尾吊式两种典型民机构型气动特性的影响,结果表明:翼吊式民机构型发动机进排气效应对升力的干扰主要由发动机尾喷流的引射效应对机翼的干扰引起;尾吊式民机构型随着发动机进气流量的增大,机翼上表面压力逐渐减小,激波位置逐渐后移;不同发动机进气流量会对飞机的阻力特性产生较大影响,在飞机详细设计阶段需充分考虑机体与动力装置之间的干扰影响。      

超临界机翼抖振实验研究

本文介绍了FL一2风洞超临界翼型半模抖振实验情况，给出了实验结果。对两副超临界机翼的翼身组合体半模型进行了抖振测力试验，增压抖振测力，流谱观察。使用翼尖加速度计、翼根弯矩采样信号和拐点法获得了两副超临界机翼的翼身组合体的初始抖振攻角。     

超临界翼型跨声速抖振CFD计算和POD分析

使用二阶迎风Roe格式、隐式时间推进和S-A(Spalart-Allmaras)一方程湍流模型,通过求解基于格心格式有限体积法的RANS方程模拟了OAT15A超临界翼型的跨声速抖振流场。在模拟出激波/附面层相互干扰诱发的抖振现象的基础上,对翼面激波运动过程中的气流分离泡变化规律开展研究,揭示出激波变化相位略微超前于升力系数相位的非定常现象。为剖析跨声速抖振的物理成因,将抖振计算的非定常解作为快照,应用本征正交分解POD(Proper Orthogonal Composition)方法提取POD模态,从流场相干结构的角度对跨声速抖振现象进行了分析。