基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析

为提高直升机前飞状态下旋翼非定常气动弹性载荷的预估精度,在旋翼气动弹性综合分析方法中引入旋翼CFD模块,建立了一套基于CFD/CSD松耦合分析的计算方法和程序。为高效解决流固耦合方法中由于桨叶挥舞、扭转等弹性变形带来的旋翼贴体网格变形问题,采用基于代数变换方法的网格变形技术,桨叶运动变形量和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。旋翼流场分析方法中,主控方程采用耦合S-A湍流模型的Navier-Stokes方程,围绕旋翼流场的网格采用结构嵌套网格方法生成,无黏通量计算采用Roe格式,时间推进采用双时间法。旋翼结构分析中,考虑旋翼配平,基于Hamilton变分原理和20自由度Timoshenko梁模型求解弹性旋翼非线性运动方程。分别对CSD和CFD方法进行验证,在此基础上,计算了SA349/2旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动力、挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩,并与飞行测试数据进行了对比。计算表明:CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,精确捕捉桨叶表面压强峰值、激波位置等,表明本文发展的旋翼CFD/CSD耦合方法可以有效地运用到旋翼气动弹性载荷的预测分析中。     

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。     

前行桨叶概念旋翼气动弹性响应分析

基于CFD/CSD松耦合策略,建立了前行桨叶概念（ABC）旋翼气动弹性分析方法.CFD计算中以非定常Euler/N-S方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型通过中等变形梁理论得到;CFD和CSD数据每隔一个旋转周期交换一次.以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了分析,计算结果与试验值吻合良好.然后对旋翼振动载荷、桨尖间距、升力偏移量及桨叶载荷进行了分析,研究了前飞速度、旋翼交叉角、提前操纵角等参数对上述动力学性能的影响.该文方法具有很好的分析精度和工程适用性,分析结果可为前行桨叶概念旋翼设计提供重要参考.     

直升机旋翼桨-涡干扰状态非定常气弹载荷高精度预估

为准确计算直升机旋翼在复杂的桨-涡干扰(BVI)状态下的气弹载荷,在刚性旋翼计算流体力学方法中引入桨叶弹性变形的影响,建立了一套适合于弹性旋翼BVI状态气动特性分析的计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合方法.CFD模块对Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS)/Euler方程进行求解,并采用双时间法推进和Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型.CSD模块采用中等变形梁假设的有限元模型,通过Newmark-Beta方法求解桨叶运动方程.通过代数变换方法进行桨叶网格变形,并建立一个适于流场/结构信息交换的CFD/CSD耦合方法.在分别验证CFD和CSD模块的有效性的基础上,开展UH-60A直升机旋翼的BVI 状态载荷分析,并与飞行测试数据进行了对比.计算结果表明:相比于旋翼综合分析中的升力线理论和刚性旋翼CFD方法,耦合的CFD/CSD方法可以更准确地预测BVI状态气弹载荷,并有效地模拟桨叶前行侧方位角和后行侧方位角附近的BVI现象,对BVI导致的升力波动幅值和相位的计算结果均与试验值吻合良好.      

悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

基于运动嵌套网格方法,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先,基于高效的运动嵌套网格技术,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型,时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上,对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析,揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后,进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明:上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞,导致下旋翼桨叶拉力损失;上旋翼桨叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰,改变了桨尖涡的强度和轨迹;上、下旋翼桨叶相互靠近时,上、下旋翼桨叶的拉力均会上升,之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。     

前行桨叶概念旋翼动力学分析方法

根据前行桨叶概念(ABC)旋翼配平方程中未知量多于方程数的特点,提出了一种基于优化的配平问题求解方法。进而结合计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)松耦合策略,建立了ABC旋翼动力学分析方法。CFD分析中以非定常Euler/Navier-Stokes方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型采用非线性中等变形梁理论建立。以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了仿真分析,计算结果与飞行试验值吻合良好。仿真结果表明,该旋翼动力学分析方法具有很好的分析精度和收敛性,可广泛应用于ABC旋翼动力学分析。     

基于非结构嵌套网格和逆风格式的旋翼悬停流场数值模拟

为更好地计及桨叶间相互影响,同时捕捉桨尖附近的流场细节,发展了一套非结构运动嵌套网格方法,并针对关键的贡献单元搜寻问题提出了一种高效的搜索方法.为了可方便地扩展到前飞状态的计算,同时为提高旋翼流场涡量的捕捉精度和效率,采用双时间法求解惯性坐标系下的非定常N-S主控方程,空间方向上使用二阶迎风格式,在此基础上,将不同精度格式的计算结果与试验值进行对比,并讨论了桨尖形状变化对旋翼气动特性的影响,结果表明本文建立的CFD方法对旋翼悬停流场的模拟是很有效的.     

带后缘小翼的旋翼振动载荷计算

建立了考虑弹性桨叶、刚性小翼的旋翼气动弹性分析模型和旋翼载荷计算方法.以广义质量和广义力的形式描述小翼惯性力和气动力对系统的影响,以非定常/动态失速模型计算剖面气动力,结合基于实验数据修正的组合气动模型计算带小翼部分的剖面气动力,集成大变形桨叶模型考虑弹性变形的非线性,以力积分法计算桨叶剖面振动载荷.通过计算分析与实验结果相比较,验证了建立的气动弹性模型和载荷计算方法.结果表明:建立的桨叶结构模型精度很高,气弹模型能够准确预测旋翼的振动载荷,挥舞弯矩平均误差控制在9.1%,使用修正的小翼气动模型能有效提高小翼运动时桨叶振动载荷的计算精度.      

旋翼VPM/CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

为了提高旋翼计算流体力学（CFD）流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法（VPM）与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散,而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象,同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换,则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析,而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上,从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上,对“Helishape 7A旋翼”小前进比前飞桨-涡干扰（BVI）状态进行了较为深入的气动分析,计算结果表明：与全CFD计算比较,建立的VPM/CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散,从而更加可靠地捕捉桨-涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动,同时对于本文算例,计算效率可以提高30%以上。     

计算气动弹性在飞行器设计中的研究与应用

近年来,计算气动弹性(CAE)开始作为一个正式术语出现于一些研究文献中,用来描述耦合高精度的计算流体动力学(CFD)与计算结构动力学(CSD)分析气动弹性问题的方法。本文阐述了CAE方法的基本概念、计算流程及其耦合方法,着重分析了CAE求解计算需要解决的关键问题,介绍了CAE方法在飞行器设计中研究应用的发展状况,并展望了其未来的发展方向。     

CFD/CSD方法分析动力效应对民机气动特性影响

基于Reynolds average Navier-Stockes(RANS)的三维Navier-Stokes流场控制方程耦合结构静力学方程时域分析方法,研究了带有发动机的民用飞机其动力效应对全机气动性能的影响。首先采用数值方法对发动机进排气边界条件进行了模拟,分析了带动力的涡扇发动机模型的流场,并将计算结果与实验进行比较,验证边界条件处理的准确性;以此为基础,考虑结构弹性变形,采用计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的方法,分别对通气和带动力的翼吊发动机全机的气动性能进行了研究。结果表明:基于通气构型预测的升阻力系数,气动载荷和压心位置与考虑动力效应后的计算结果存在明显不同。弹性变形又会加剧这一差异,使得全机的升阻比下降约12.6%,升力系数下降约8.9%,压心位置后移。数值算例显示,在靠近发动机区域气动载荷受动力效应影响显著,远离该区域,弹性变形效应占主要影响因素,因此在进行带动力效应的民机气动性能分析时,考虑弹性变形的影响是十分必要的。      

用隐式多重网格法计算三维粘性流动

求解高雷诺湍流流动时,边界层法向网格间距较流向和展向相比非常小,因此边界层中存在高度伸缩的网络,这将大大降低多重网格的求解效率。通过谐调的处理多重网格过程的各个细节,既提高了解的精度,又克服了网格展弦比的影响,使得计算效率提高了6～7倍。     

A Scalable Infrastructure for Online Performance Analysis on CFD Application

The fast-growing demand of computational fluid dynamics(CFD) application for computing resources stimulates the development of high performance computing(HPC) and meanwhile raises new requirements for the technology of parallel application performance monitor and analysis.In response to large-scale and long-time running for the application of CFD,online and scalable performance analysis technology is required to optimize the parallel programs as well as to improve their operational efficiency.As a result,this research implements a scalable infrastructure for online performance analysis on CFD application with homogeneous or heterogeneous system.The infrastructure is part of the parallel application performance monitor and analysis system(PAPMAS) and is composed of two modules which are scalable data transmission module and data storage module.The paper analyzes and elaborates this infrastructure in detail with respect to its design and implementation.Furthermore,some experiments are carried out to verify the rationality and high efficiency of this infrastructure that could be adopted to meet the practical needs.     

基于浸入式边界方法的运动物体声辐射数值模拟

为了在声学计算中简化网格的处理,从而发展出适用于运动复杂边界问题模拟的计算格式,基于浸入式边界方法,提出了一种适用于无黏流动、无穿透边界条件的处理方法,并对一些简单的运动物体声辐射问题进行了数值模拟.数值结果与解析解得到了令人满意的对比,初步验证了所提出的研究方案的可行性.     

皮托管式轴对称进气道跨音速内,外流场的AF—2方法计算

本文构造了轴向大扰动,径向小扰动轴对称速势方程的AF-2分解格式,计算了IC型皮托管式进气道的跨音速内外流场,并对这种分解格式进行了线化的稳定性分析。分析表明:AF-2方法的稳定性优于SLOR方法,其收敛速度至少比SLOR方法快10倍。     

基于CFD的机翼结冰过程分析

采用一种适用于分析机翼结冰过程的数值模拟方法,该方法在飞机结冰气象条件下采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）对机翼流场进行计算,获得流场中二维机翼翼型的水滴撞击特性,并遵循质量和能量守恒方程,计算出机翼表面的结冰量,预测出机翼的积冰形状。所得冰形与文献中的试验数据吻合良好,表明数值模拟方法有效。另外还分析了结冰对机翼升力、阻力和压力系数的影响,其结果可以指导飞机机翼防／除冰系统的设计研究     

上风格式的若干性能分析

采用理论分析和数值试验相结合的方法，对上风格式的三个典型代表：FDS、FVS及AUSM格式的性能进行了分析比较：FDS格式具有高的间断分辨率但可能出现非物理懈；FVS格式捕捉强非线性波的能力很强，计算效率高，但耗散比较大；AUSM格式兼有高间断分辨率和高计算效率且克服了两者的弱点。以一维无粘激波管流场为算例考察了这些格式性能与间断分辨率。     

特征无反射边界条件应用于二维圆柱绕流模拟

采用特征无反射边界条件和吸收层技术相结合的边界处理方法,研究了二维圆柱绕流模拟的边界反射问题。近年来在计算气动声学中提出了将大涡模拟和声学传播方程结合的混合方法求解声场,基于计算量的考虑,须在较小的计算区域内进行大涡模拟,这就需要在计算区域较小时,边界的反射尽可能小。作为大涡模拟研究的技术储备,将该方法应用于二维圆柱绕流的模拟中。数值结果表明这种方法在计算区域较小时,能起到很好的无反射效果,计算结果与前人在计算区域取得很大时的结果比较吻合。     

远场假设对喷流噪声预测中格林函数求解的影响

目前基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）的喷流噪声预测方法在格林函数求解时, 为简化求解过程,通常对喷流流动做平行流假设, 对观测点做远场假设。随着格林函数求解方法发展,近年来的研究表明平行流假设对下游观测点格林函数的计算会引起较大偏差,而目前远场假设对格林函数求解的影响仍不清楚。为研究远场假设对喷流格林函数求解的影响,以二维喷流为例, 采用计算气动声学方法（CAA）分别数值求解了观测点远场假设条件与实际条件下90°~150°方向喷流内伴随格林函数,进而分析远场假设对格林函数求解的影响。研究结果表明,对于不同方向的观测点,由观测远场假设导致的伴随格林函数求解偏差不尽相同,且对于越靠近喷流中心线方向的观测点,远场假设导致的偏差越大,其中150°方向观测点,采用远场假设后,格林函数计算结果最大偏差达到-15 dB以上。因此,对于靠近喷流中心线方向的噪声观测点而言,为避免预测偏差,应采用实际观测条件求解喷流格林函数。