基于Euler方程的直升机旋翼翼型反设计方法

直升机旋翼流场的求解和贴体网格的生成是进行旋翼翼型反设计的关键,本文采用Euler方程求解直升机旋翼翼型流场,并通过求解泊松方程生成围绕翼型的网格.在此基础上,结合线化二维亚音速和超音速流的小扰动理论,采用MGM方程作为反设计方程,基于有限差分方法建立一套直升机旋翼翼型反设计的迭代方法.在给定的目标压力分布条件下,与CFD方法相结合,反设计得出满足要求的翼型,并与目标翼型吻合良好,表明本文建立的翼型反设计方法能够有效地用于直升机旋翼翼型设计.     

基于变域变分有限元的翼型反设计

反问题作为一种自由(未知)边界问题近年来得到了广泛的研究。变域变分通过把自由边界结合在变分泛函中，使其与求解流场的控制方程结合起来，从而自由边界求解和流场分析可以完全耦合进行。本文采用变域变分和可变形有限元来设计可压缩和不可压缩翼型，计算显示即使在初始翼型的一侧为三角形时仍能得到满意的结果。文中还采用了两种计算网格(H型和O型)来设计翼型，比较了它们的精度，计算表明本方法完全能用于翼型的反设计。     

基于适当控制翼型演化历程的气动设计方法

本文提出一种翼型设计的新方法,它基于适当控制翼型演化历程,采用求解非定常流动控制方程的方法,实现了翼型反问题的高效求解.同时在笛卡尔坐标系中应用Level-Set函数,避免了贴体动网格的采用,从而大大减少了所需计算工作量.     

基于N-S方程的直升机旋翼翼型反设计方法

为了在实际旋翼翼型设计中考虑粘性影响,采用N-S方程为主控方程,建立了旋翼翼型流场求解方法。使用以Poisson方程为控制方程的网格生成程序生成围绕旋翼翼型的N-S粘性贴体网格,该网格生成程序能在反设计迭代过程中自动更新过渡翼型的粘性网格。在翼型流场计算及网格生成基础上,采用了MGM方程作为翼型反设计方程,建立了一套能够考虑粘性影响的直升机旋翼翼型的反设计方法。应用该方法,分别对二维NACA系列翼型、OA系列翼型、超临界翼型进行了反设计分析,获得了满足要求的二维旋翼翼型,并与目标值(压力分布、升力系数、阻力系数、力矩系数)吻合良好。     

分布式进化算法及其在翼型气动反设计中的应用

构造了一种新型基于基因算法与博弈论的并行分级多目标优化方法，并应用于多段翼型气动反设计。此方法基于二进制编码的基因算法和博弈论，优化变量被分配给不同的博弈者，因而总体优化问题转变为分裂空间中的局部优化问题。文中给出了一个多段翼型形状，位置可压位流的反设计问题的求解算例，引入了基于非结构网格的分级结构。与传统基因算法数值算例的对比表明了本文构造的并行分级算法具有较高的计算效率，可广泛应用于多目标优化问题。     

某飞翼布局隐身飞行器的翼型优化

对某飞翼布局无人机的翼型进行考虑隐身迎角的气动、隐身综合优化研究。采用基于非均匀有理B样条曲线的自由变形方法实现翼型的参数化表达;无限插值动网格方法生成气动求解的计算网格;分别采用基于雷诺平均N—S方程求解的计算流体力学方法及物理光学法计算翼型的气动、隐身性能;选择多目标遗传算法进行综合寻优设计研究。优化翼型兼顾了气动与隐身的要求,其综合性能优于原翼型。结果表明,方法具有较好的实用性。     

现代自然层流翼型的设计方法

本文介绍一种设计跨声速自然层流翼型的计算流体力学(CFD)方法。本方法采用“正反迭代、余量修正”设计原理,通过将跨声速翼型设计软件NPU-TD2D中的反设计程序进行改进,并与含有层、湍流混合边界层修正的跨声速层流翼型计算程序DLRBGKWALZ耦合,实现了在跨声速粘性流动条件下直接设计层流翼型。亚、超临界的设计实例和风洞验证表明,本方法可以在几个设计迭代内设计出压力分布、转捩位置及气动参数均准确收敛于设计目标的新翼型,是一种设计现代自然层流翼型的有效而实用的CFD方法。     

基于目标压力分布的旋翼先进气动外形反设计分析方法

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程、运动嵌套网格、目标压力分布及余量修正方法,构建了一套直升机旋翼桨叶先进气动外形反设计方法。为避免由桨叶气动外形变化导致的网格畸变,发展了一套基于Poisson方程求解的旋翼桨叶结构化贴体正交网格的快速、自动化生成方法,为提高运动嵌套网格的生成质量和通用性,采用剖面间网格插值与桨尖翻折相结合的方法,同时建立了基于“Top Map”和“Inverse Map”相结合的洞边界划定和贡献单元搜寻的新方法。基于Navier-Stokes方程和双时间法建立了旋翼非定常流场模拟方法,通量求解采用Roe-MUSCL格式,并使用低速预处理法来克服前飞旋翼流场收敛中遇到的刚性问题。在计算流体力学（CFD）方法基础上,基于旋翼翼型压力系数余量联立各方位角处的反设计MGM（Modified Garabedia-McFadden）超定方程组,并依据激波分离、失速等约束设置了各方位角处的反设计权重系数,创建了基于MGM超定方程组最小二乘解的旋翼气动外形（翼型）设计方法。应用所建立的方法,分别针对多目标、多状态和前飞时的旋翼（翼型）气动外形进行反设计分析,验证了本文方法的有效性。最后,将该方法拓展应用到旋翼桨尖气动外形设计中,设计得到与UH-60A直升机旋翼气动特性相似的矩形桨叶外形。     

改进型Gappy POD翼型反设计方法

 为了提高基本Gappy本征正交分解(POD)翼型反设计方法的精度,在原始方法快照采样过程中,调整参数化方法,并用已产生翼型中压力分布最接近目标压力分布的翼型替换基础扰动翼型,形成最优快照替换采样法。在迭代求解阶段,根据迭代产生的压力分布与迭代产生的翼型实际压力分布之间的误差,引入校正快照,并据此调整目标压力分布,形成校正迭代法。实际算例表明,最优快照替换采样法所采集快照张成的空间较原始采样法更接近设计目标。而校正迭代法较原始迭代法能明显提高反设计精度。但最佳模态数量的选择对于Gappy POD翼型反设计方法仍然是一个难点。     

基于气动数值模拟的翼型反设计方法

将计算流体动力学（CFD）与反设计技术相结合,通过数值求解欧拉方程,对翼型绕流流场作出数值模拟,再用几何和流动控制方程,反复迭代求得满足给定流场的翼型。以NACA0012为初始翼型,RAE-2822为目标翼型,选取两种工况,都取得了满意的结果。     

某小型涡喷发动机二维数值仿真

整机二维仿真模型由带有粘性项的二维欧拉方程,燃烧模型和损失模型构成.利用任意曲线坐标系来适应复杂几何边界计算,采用隐式高阶精度Godunov格式求解非定常欧拉方程,能够自动捕捉激波,数值稳定性高.计算的总性能参数与设计值对比显示:单部件的仿真精度高于整机,涡轮仿真精度高于压气机.子午平面上的计算结果分析表明:离心压气机出口处的分离流动、燃烧室掺混孔的简化对总性能参数计算结果影响较大.     

航空发动机圆套状尾喷管流场温度场数值模拟

对某机型双收缩圆环套状尾喷管内, 冷热气流相互掺混的流动传热过程, 作了数值模拟。用SIMPLE思想在曲线系中进行程序设计。该程序可以对任意形状的两股流有(无)掺混时的流场、质量场、温度场、辐射通量场进行模拟, 对二维流动传热问题比SIMPLE程序更具有通用性。最后对某机型的实际情况(形状尺寸), 用区域拼装法生成曲线网格作了模拟。结果说明, 引射的冷空气与热主流在双收敛喷管内掺混, 确实能降低尾喷管内气流温度、降低红外辐射。      

基于激波拟合与柔性壁的反设计数值方法研究

将激波和待求激波压缩面作为运动间断边界拟合,研究了超声速来流下的型面反设计数值计算方法.算法秉承拟合法思想,采用二阶格式时间推进欧拉方程组,在运动边界和动网格条件下,按预估的波系结构划分网格块,反求可产生指定压力分布的三维型面,并获得精确的激波型面.通过包括凸包进气道在内的三个反设计算例验证了本文算法的合理性及其对网格质量的适应性,证明了在型面反设计中,采用激波拟合法可大大提高型面精度.本算法可用于超声速进气道压缩面和唇口完全三维反设计.     

A boundary value problem of aerohydrodynamics in designing an axisymmetric body with jet blowout

A numerical and analytical method for constructing a shape of the axisymmetric body streamlined with jet blowout by the specified velocity distribution along its meridian section is proposed. The foundation of the method is the iteration process based on the solutions of an inverse problem in the plane case and a primal problem for the axisymmetric body. A program realizing the iteration process is set up and examples of numerical calculations are given.     

一种求解透平叶栅三维流场的高精度TVD格式

本文提出了一种应用三阶精度Chakravarthy-OsherTVD格式求解环形透平叶栅三维定常流场的隐式近似因子分解方法。控制方程为柱座标速度分量表示的任意曲线座标系下的三维欧拉方程。采用Beam-Warming近似分解, 对隐式项进行迎风差分, 得到了时间精度为一阶、空间精度为5点三阶的隐式格式。算例对5点三阶和5点二阶精度的格式进行了比较。表明空间三阶精度隐格式对计算结果没有明显改进, 但收敛残差有较大降低。      

跨音速叶轮机械叶片的完全三维设计方法

设计方法由一种平面叶栅跨音速流动反问题推广得到,其特点是既计及叶片气动性能,又能在一定程度上兼顾强度、冷却、工艺等方面的要求。由于应用了一种适合叶轮机械中三维流动特点的广义ＶｏｎＭｉｓｅｓ坐标系,克服了反问题所特有的求解域边界不定的困难;并使正问题计算和反问题设计统一在同一算法之中。典型算例的结果表明：提出的跨音速叶片完全三维设计理论模型是合理的。     

有限差分法的坐标变换诱导误差

有限差分法应用于具有复杂外形的网格时需要进行坐标变换,在此过程中经常会引入坐标变换诱导误差。在柱坐标系下使用均匀网格进行均匀流场计算,计算结果表明,即使物理坐标对计算坐标的变换函数连续可导、计算过程中坐标变换系数直接采用准确的解析式、网格完全正交并且充分光滑,也无法避免坐标变换诱导误差。理论分析表明,产生坐标变换诱导误差的机理是笛卡尔坐标系下的守恒型欧拉方程变换至贴体坐标系下后增加了源项。针对该问题,目前国内外学者通常采用几何守恒律,构建与差分格式相匹配的坐标变换系数计算方法来消除源项。本文介绍了从包含源项的离散等价方程基础上直接进行离散的新算法,在此基础上针对非等距网格条件下MUSCL类格式重构过程进行误差分析,理论推导表明重构中需要考虑非等距插值公式的影响系数,将变量转换至计算空间内进行MUSCL重构才能保证该过程具有均匀网格下的插值精度。通过理论分析及数值实验证明新算法对于均匀流场完全不会引入坐标变换误差。     

基于非结构网格有限差分法的扎染算法

应用有限差分法时遵循贴体坐标系下离散等价方程的离散准则,格式中仅用到当地网格点的坐标变换系数,据此可以构建新的非结构网格有限差分法,数值算例表明在空间二维情况下用连接离散点的3条网格线构造出来的一阶迎风格式可以稳定收敛。把这种非结构网格有限差分法推广到三维,在4条网格线基础上进行离散计算,然后提出一种局部区域多重网格、重复计算的新算法。首先在包含物体的整个区域采用直角坐标系下的均匀网格进行计算,然后消除物体内部点对物体外部流场区域的影响,最后在物面和直角网格之间很小的局部区域填补非结构网格进行计算,计算过程类似于中国传统的扎染工艺。处理流场内存在曲面物体边界问题时,相较于常规结构网格差分算法,扎染算法尽管在计算中包含需要特殊处理的无用网格点,也存在重复计算的局部区域,但是以这些计算能力的浪费为代价,换取了编程简便、内存量小、网格生成快捷、易于扩展网格规模等优势。定性分析表明,这种扎染算法非常适合研制大规模并行计算,建立的计算流体力学应用软件可以充分发挥数十万至百万处理器核心的超级计算机的效能。     

A new method of single celestial-body sun positioning based on theory of mechanisms

Considering defects of current single celestial-body positioning methods such as discon-tinuity and long period, a new sun positioning algorithm is herein put forward. Instead of tradi-tional astronomical spherical trigonometry and celestial coordinate system, the proposed new positioning algorithm is built by theory of mechanisms. Based on previously derived solar vector equations (from a C1R2P2 series mechanism), a further global positioning method is developed by inverse kinematics. The longitude and latitude coordinates expressed by Greenwich mean time (GMT) and solar vector in local coordinate system are formulated. Meanwhile, elimination method of multiple solutions, errors of longitude and latitude calculation are given. In addition, this algo-rithm has been integrated successfully into a mobile phone application to visualize sun positioning process. Results of theoretical verification and smart phone’s test demonstrate the validity of pre-sented coordinate’s expressions. Precision is shown as equivalent to current works and is acceptable to civil aviation requirement. This new method solves long-period problem in sun sight running fix-ing and improves applicability of sun positioning. Its methodology can inspire development of new sun positioning device. It would be more applicable to be combined with inertial navigation systems for overcoming discontinuity of celestial navigation systems and accumulative errors of inertial nav-igation systems.     

利用边界测点求解二维稳态导热逆问题

针对导热逆问题求解中的测点的选择提出了不同的方式,即采用边界测点取代内部测点进行导热逆问题的求解.通过数值计算揭示了测点选择不当将导致逆问题计算的失败及原因,验证了采用边界测点求解二维稳态导热逆问题的可行性.采用本文提出的方式将使逆问题的应用更为实际、合理.