超声速湍流流场的RANS/LES混合计算方法研究

采用对接/拼接网格技术,建立了基于分区混合和基于湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型,并对环翼低速绕流、翼型跨声速绕流和球锥带凹窗外形二维超声速绕流进行了初步的数值模拟.环翼和翼型绕流计算表明,该混合模型可给出较合理的湍流宏观平均量;球锥带凹窗外形二维超声速绕流计算表明,该混合模型可得到超声速瞬态湍流脉动流场,凹窗处存在复杂的旋涡结构和波系结构,呈现较大尺度的脉动.但该模型还需要进一步的考核验证.     

后向台阶超声速流动的动力混合RANS／LES模拟

针对可压缩湍流流动,构建了1种动力混合RANS/LES模式。运用该模式模拟了超声速后向台阶流动,结果再现了二维后向台阶剪切层的拟序结构,计算得到了统计平均的压力分布,回流区长度与实验结果符合较好。与定系数的一般混合RNAS/LES模拟结果的对比表明,动力混合RANS/LES模式在对流场拟序结构的捕捉、流动时均压力分布方面表现较优。     

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制优化

为了获得不同目标下最优抽吸控制参数,开展了分离流动抽吸控制优化研究,基于RBF神经网络与遗传算法,发展了求解单目标和Pareto多目标问题的优化平台。针对NACA0012翼型表面分离流动,在其上表面设计了局部多孔分布式抽吸结构,将径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络作为CFD计算的代理模型,以减小计算量;采用遗传算法开展了单目标和Pareto多目标优化。优化结果表明:该优化设计平台具有良好的收敛性和准确度;以升阻比为单目标的优化使升阻比最大增加了2.4倍;Pareto多目标优化设计获得了分布均匀的、令人满意的Pareto解集,为设计者提供了一个可选的有效解数据库。在合理选择抽吸角度、抽吸孔径和孔间距的前提下,只需较小的抽吸系数,就可使升阻比获得明显增加,同时,还能保持较高的FOM值,使整个控制系统的能效比维持较高水平。     

用强耦合RANS方法模拟旋翼悬停流场

在旋转坐标系下,将Spalart-Allmaras(S-A)一方程湍流模型和Reynolds-averaged NavierStokes(RANS)方程耦合成一个新的RANS方程,并发展了基于多块重叠网格的强耦合RANS求解方法,用于直升机旋翼悬停流场的数值模拟.为了提高计算效率,针对多重网格方法在多块重叠网格上实施的困难,提出了一种基于重叠网格的多重网格实施方法.通过对Caradonna-Tung(C-T)和ONERA 7A旋翼悬停算例验证了发展的强耦合RANS方法和基于重叠网格的多重网格实施方法的有效性.研究结果表明:发展的基于重叠网格的多重网格方法有较高的计算效率,3层网格的加速比约为7.7;强耦合RANS法的计算精度明显高于传统的松耦合RANS方法,特别是在与阻力相关性能参数的预测中,强耦合RANS方法的预测结果更加精确.     

低雷诺数下微型飞行器主动变形机翼非定常气动特性数值分析

以微型飞行器的气动外形设计为研究背景,通过数值求解N-S方程分析了主动变形柔性机翼的气动特性。空间离散格式采用中心有限体积法,时间推进采用双时间推进方法,其中子迭代过程由隐式LU-SSOR方法完成。在动网格技术的基础上,模拟分析了薄翼面上作行波运动的流场。计算结果发现,该行波翼型的气动特性相比于刚性翼型有明显改善,有效地抑制了大攻角下大尺度流动分离,同时升阻比提高了约35%,起到了显著的增升减阻的作用。本文的工作对于进一步的柔性机翼优化具有良好的理论研究与数值模拟的参考价值。     

Adaptive flow control of low-Reynolds number aerodynamics using dielectric barrier discharge actuator

Aerodynamic performance of low-Reynolds number flyers, for a chord-based Reynolds number of 10⁵ or below, is sensitive to wind gusts and flow separation. Active flow control offers insight into fluid physics as well as possible improvements in vehicle performance. While facilitating flow control by introducing feedback control and fluidic devices, major challenges of achieving a target aerodynamic performance under unsteady flow conditions lie on the high-dimensional nonlinear dynamics of the flow system. Therefore, a successful flow control framework requires a viable as well as accessible control scheme and understanding of underlying flow dynamics as key information of the flow system. On the other hand, promising devices have been developed recently to facilitate flow control in this flow regime. The dielectric barrier discharge (DBD) actuator is such an example; it does not have moving parts and provides fast impact on the flow field locally. In this paper, recent feedback flow control studies, especially those focusing on unsteady low-Reynolds number aerodynamics, are reviewed. As an example of an effective flow control framework, it is demonstrated that aerodynamic lift of a high angle-of-attack wing under fluctuating free-stream conditions can be stabilized using the DBD actuator and an adaptive algorithm based on general input–output models. System nonlinearities and control challenges are discussed by assessing control performance and the variation of the system parameters under various flow and actuation conditions. Other fundamental issues from the flow dynamics view point, such as the lift stabilization mechanism and the influence on drag fluctuation are also explored. Both potentiality and limitation of the linear modeling approach are discussed. In addition, guidelines on system identification and the controller and actuator setups are suggested.     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制特性研究

为了系统研究抽吸系数和抽吸方向对抽吸效果的影响以及抽吸效益与抽吸能耗之间的关系,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用Roe格式和双时间步隐式算法(LUSGS),从抽吸系数、抽吸方向和抽吸能耗等方面,数值研究了低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果,通过边界层速度线型的变化分析了抽吸控制机理。研究结果表明:在翼型吸力面流动分离点附近一定区域内进行抽吸,可有效抑制流动分离,改善翼型气动性能;随着抽吸系数的增加,升阻比先是快速增长然后缓慢下降,且升阻比最大值提高了约1.3倍。抽吸控制能量消耗评估显示抽吸系数在合理范围内时,控制能耗明显小于控制效益。抽吸角度对抽吸控制有显著影响,当抽吸角度较大时,不仅翼型升阻比获得了提升,而且抽吸控制所消耗的能量也会进一步减少。这些结果有助于进一步为流动控制设计提供新的思路和方法。     

高升力翼型复杂流动模拟中湍流模型性能评估

采用软件Fluent中工程常用的7个涡黏湍流模型对某种高升力3段翼的降落阶段绕流进行了数值模拟.通过和试验及经过试验校验过的延迟脱体模拟（delayed detached eddy simulation,DDES）结果进行详细的对比分析,包括翼型压力系数、马赫数、涡量场和湍动能分布等,系统地研究了常用涡黏湍流模型对该高升力翼型的模拟性能.结果表明：对于平均流场,standard k-ω模型的模拟性能最好,能较好预测翼型压力系数、襟翼分离区位置和大小等;SST （shear stress transport）k-ω模型性能也较好,一方程SA （Spalart-Allmaras）模型和四方程v²-f模型具有相近的性能,而k-ε系列模型性能相对较差.对于湍流场的模拟性能,和上述平均流场对比所得结论相一致,但所有湍流模型均未预测出襟翼分离区附近湍动能“最大”的分布特征.     

基于RANS/LES方法的超声速底部流场数值模拟

分别采用基于两方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型的延迟DES(DDES)、更改的DDES(MDDES)和改进的DDES(IDDES)方法,并引入可压缩修正,结合三阶MUSCL-Roe和五阶WENO-Roe两种空间离散格式,针对超声速底部的复杂流动现象,开展了数值模拟研究。计算结果表明本文方法能够捕捉到超声速底部流动中丰富的湍流结构,通过分析计算结果对超声速底部的流动机理有了进一步的认识,为下一步的超声速底部流动减阻改进和雷诺平均NavierStokes/大涡模拟(RANS/LES)方法在非定常高可压缩性流动中的应用提供了参考。通过对比分析不同空间离散格式的计算结果研究了数值耗散对计算的影响,五阶WENO-Roe格式的计算结果与实验结果吻合良好;对不同RANS/LES混合方法的计算结果进行了对比分析,结果表明IDDES方法在近壁区的表现优于DDES和MDDES方法。     

突扩燃烧室流场RANS与LES模拟

以中心突扩燃烧室为模拟对象,分别从旋涡运动、空间速度分布和时间速度脉动等方面对RANS模拟结果、LES模拟结果和试验结果进行了比较分析。表明RANS方法没有模拟出燃烧室中的旋涡运动,与试验结果相差甚远;而LES方法则比较好地模拟出了燃烧室中旋涡运动和速度脉动。得出LES方法是对突扩燃烧室内流场数值研究的有效方法。     

Aerodynamic performance of a low-Reynolds UAV with leading-edge protuberances inspired by humpback whale flippers

The aerodynamic forces and flowfield on a delta-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with specific airfoil are studied here. The leading-edge protuberances inspired from the flippers of the humpback whale is introduced in present work to watch its effect on stall delaying and drag reduction. Two installing factors, which are amplitude and wavelength of the protuberances, are considered to study the interaction of leading-edge variation and de-tached vortex. Three changes in both amplitude and wavelength are investigated herein. Generally, the modified models have larger stall angle of attack than that of the baseline model; the difference exists in the attainable lift coefficient and drag reduction.     

Numerical simulation of a flow around airfoil using inviscid gas equations

A method for determining a field of inviscid gas equation application in finding the aerodynamic characteristics of bodies is proposed; as an example, use is made of airfoils for which extensive experimental data are available. The comparative analysis of physical and numerical simulation results showed a good verification of the method presented.     

绕翼型低雷诺数流动的数值分析研究

分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的一个重要特征,分离泡通常都是非定常的,会对整个流场产生极大的影响,由于分离附面层的不稳定性,很快诱发转捩,并产生湍流再附。文中通过求解雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕Eppler387翼型的低雷诺数非定常流动,并对两方程SSTk-ω湍流模型,代数B-L模型和层流的计算结果作了比较。N-S方程和两方程湍流模型的控制方程非耦合求解,时间推进均采用近似因子方法(AF);空间离散无粘项采用ROE格式,粘性项用中心差分方法计算;计算非定常流场时,采用伪时间子迭代(τt-s)方法保证二阶时间精度,湍流模型计算时都是在固定点转捩。最后分析了转捩对低雷诺数流动的影响、分离泡的存在引起的流动不稳定性和周期性的脱出涡,数值计算给出的时间平均升力系数、阻力系数和压力分布与实验结果比较吻合。     

Computations of unsteady transonic flow over airfoil at low Reynolds number

Transonic flow over a thin airfoil at low Reynolds number was studied numerically by directly solving two-dimensional full Navier-Stokes equations through 5th order weighted essentially non-oscillatory(WENO) scheme without using any turbulence model.A series of distinguished unsteady phenomena for a thin 2-D transonic airfoil flow were presented.Due to continuous adverse pressure gradient in the subsonic flow downstream of the sonic line, the unsteady separated boundary layer with main vortex and secondary vortex was developed at the rear of the airfoil.At the trailing edge,the vortex-shedding was characterized by periodical connection of the main vortex and secondary vortex on the other side of the airfoil.The unsteady separation and vortex-shedding occurred with the same period.On the airfoil surface,the average pulse pressure related to the unsteady supersonic region was obviously smaller than that related to the vortex-shedding at the trailing edge.With the attack angle increasing from 0° to 2°, the frequency of vortex-shedding decreases about 4.2%.At last, the turbulence intensity and many second-order statistics in the wake region were investigated.      

采用RANS/LES混合方法研究分离流动

采用结合湍流模式和大涡模拟(LES)的混合方法数值模拟Aerospatial A-profile翼型以及细长椭球体大迎角分离流动。该类混合方法比较适于模拟分离流动:近壁区附体流动采用湍流模式,而远离物面分离区域内的大尺度运动则用LES方法。通过计算和实验结果的对比,混合方法切实可行并具有很大的发展潜力。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

变来流速度下旋翼翼型非定常气动特性分析

为分析变来流速度状态下的旋翼翼型气动特性,提出了利用翼型平移来模拟来流速度变化的数值方法.在此方法基础上,采用基于隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss-Seidal)方法的非定常雷诺平均N-S(Navier-Stokes)(RANS)方程,模拟了SC1095旋翼翼型在定迎角 变来流速度及变迎角 变来流速度状态下的非定常气动特性.通过对比分析发现:翼型在变速度-定迎角状态下会表现出明显的非定常现象,产生了前缘分离涡,气动特性会出现明显的迟滞效应及波动现象,脉动速度越大,非定常效果越明显.并且基准速度越大,翼型气动特性的峰值越大;翼型迎角越大,非定常涡出现的也越早.考虑直升机旋翼翼型实际工作环境,在变速度-动态失速状态下,翼型最大迎角处的气动力会得到一定程度的削弱,在小迎角下的气动力得到一定程度的增强,且脉动速度越大,翼型的非定常特性也越强.      

基于RANS方法的民用飞机网格分析

基于RANS方程分别对代表民机巡航的DLR—F6模型和增升的NASATRAPWING模型进行多块结构化网格生成技术研究,通过网格拓扑、分布、质量参数等多项研究,得到影响民机外流场粘性计算需要的网格生成因子,形成一套适用高精度阻力预测的民机CFD网格生成指南。同时,为验证网格设计方法的可靠性及准确性,分析了不同网格生成准则对于CFD计算模拟精准度的影响,为民机计算策略研究及气动力设计提供了参考依据,具有重要的工程实用价值。     

低雷诺数仿生分离流翼型气动特性初探

为了探索适合低雷诺数微型飞行器的翼型形式,基于对自然界鸟类和昆虫滑翔飞行时翅膀形状的观察,设计出一种由前缘削尖平板和后缘圆弧翼型组合而成的仿生分离流翼型。数值研究结果表明,气流在削尖平板的前缘点强制分离,形成大范围低压分离流动,随后在后部圆弧翼上表面再附形成稳定低压涡流区,从而实现较高的气动效率和较强的抵抗大气湍流的能力。上削尖平板可以使流动分离点固定在削尖点。相对于单独平板,仿生分离流翼型的升力系数有大幅提高,迎角为4°时提高了112%。此外,仿生分离流翼型可以在较宽的迎角范围内（4°~20°）保持高升力,但是迎角增加,阻力也快速增大,因此小迎角情况下（小于4°）气动效率更优。