基于旋转坐标系的高阶间断有限元方法非定常湍流数值模拟

基于高阶间断有限元方法(Discontinuous Galerkin method,DGM),对旋转非惯性系下耦合了修正的一方程S-A模型的RANS方程进行了离散求解。为了在稀疏网格上获得更贴近真实的物面形状,使用了多层高阶弯曲网格方法对物面进行拟合。非定常时间推进采用了隐式双时间步方法,每个时间步产生的线性系统采用预处理的方法,即广义最小残差方法(Generalized minimal residual method,GMRES)来求解。计算了旋转圆柱绕流以及经典翼型振荡算例的升力和力矩迟滞曲线,与实验结果以及前人的计算结果对比验证了本文方法的正确性和有效性。     

High-Order Discontinuous Galerkin Solution of Compressible Flows with a Hybrid Lattice Boltzmann Flux

A discontinuous Galerkin(DG)-based lattice Boltzmann method is employed to solve the Euler and Navier-Stokes equations.Instead of adopting the widely used local Lax-Friedrichs flux and Roe Flux etc.,a hybrid lattice Boltzmann flux solver(LBFS)is employed to evaluate the inviscid flux across the cell interfaces.The main advantage of the hybrid LBFS is its flexibility for capturing both strong shocks and thin boundary layers through introducing a function which varies from zero to one to control the artificial viscosity.Numerical results indicate that the hybrid lattice Boltzmann flux solver behaves very well combining with the high-order DG method when simulating both inviscid and viscous flows.     

一种模拟不可压流的节点间断有限元格子波尔兹曼方法

基于节点间断有限元方法,本文提出了一种求解格子波尔兹曼方程(Lattice Boltzmann equation,LBE)的新方法,即节点间断有限元-格子波尔兹曼方法(Nodal discontinuous Galerkin-Lattice Boltzmann method,NDGLBM)。在该方法中,LBE的碰撞过程和迁移过程被拆分成了两步:碰撞过程用LBM多松弛时间(Multiple relaxation time,MRT)模型进行求解,迁移过程则写成对流方程并采用节点间断有限元方法进行求解。其中,空间离散采用了非结构网格,时间离散采用了四阶、五步龙格-库塔格式。为了验证NDG-LBM的可行性,文中模拟了顶盖驱动方腔流、静止单个圆柱绕流、旋转-静止双圆柱绕流以及高雷诺数NACA0012翼型绕流。计算所得的数值结果与其他文献中的结果吻合度很好。     

直升机悬停时涵道尾桨的需用功率计算

涵道尾桨是将一螺桨置于直升机尾斜梁的涵道中，通过改变螺桨叶片的安装角实现直升机的航向操纵。为了弄清涵道尾桨的拉力（或推力）和需用功率之间的关系，本文根据Ｒ·Ｋｒｉｅｂｅｌ关于薄圆柱涵道螺旋桨的研究结果，用叶栅理论分析了涵道尾浆的气动特性，并将动量理论、叶素理论和叶栅理论结合起来，推导出直升机悬停时的涵道尾浆的需用功率计算公式。最后计算了ＳＡ３６５Ｎ直升机涵道尾浆和Ｂｅｌｌ－２２２直升机常规尾桨在产生相同拉力时的需用功率，并对计算结果作了对比分析。     

Nodal Discontinuous Galerkin Method for Aeroacoustics and Comparison with Finite Difference Schemes

A nodal discontinuous Galerkin formulation based on Lagrange polynomials basis is used to simulate the acoustic wave propagation. Its dispersion and dissipation properties for the advection equation are investigated by utilizing an eigenvalue analysis. Two test problems of wave propagation with initial disturbance consisting of a Gaussian profile or rectangular pulse are performed. And the performance of the schemes in short, intermediate, and long waves is evaluated. Moreover, numerical results between the nodal discontinuous Galerkin method and fi- nite difference type schemes are compared, which indicate that the numerical solution obtained using nodal discon- tinuous Galerkin method with a pure central flux has obviously high frequency oscillations for initial disturbance consisting of a rectangular pulse, which is the same as those obtained using finite difference type schemes without artificial selective damping. When an upwind flux is adopted, spurious waves are eliminated effectively except for the location of discontinuities. When a limiter is used, the spurious short waves are almost completely removed. Therefore, the quality of the computed solution has improved.     

惯性坐标系下的旋翼气弹稳定性建模

为了较好地描述直升机铰接式、无铰式及无轴承式旋翼的动力学特性,本文根据Hamilton原理。采用中等变形粱理论,用Chopra的15自由度有限元梁元进行离散,并将挥舞、摆振和变距铰运动作为广义坐标,采用二维准定常气动力模型,直接在惯性坐标系下,建立了旋翼气弹分析的动力学模型,并用Pitt—Peters动态入流模型计入动态入流对稳定性的影响。本文基于惯性坐标系的旋翼气弹建模方法简化了建模,方便地嵌入了动态入流模型。通过与Princeton粱实验数据、ITR旋翼试验数据和直升机分析软件UMARC的计算值的对比,验证了本气弹分析模型的正确性,指出误差来源于气动模型。     

一类非线性双曲型方程的Galerkin方法

主要讨论了平面有界凸多角形区域上的一类非线性双曲型方程utt- .( a( x,u) u) =f ( x,u)u( x,0 ) =u0 ( x)ut( x,0 ) =φ( x)u( x,t) =0　　( x,t)∈Ω× [0 ,T]x∈Ωx∈Ω( x,t)∈ Ω× [0 ,T]的 Galerkin有限元方法 ,首先给出了所讨论问题的 Galerkin有限元方法的离散格式 ,其次对所讨论问题的解与其离散问题的解之间的误差进行了分析研究 ,最后利用椭圆投影算子的性质 ,得到了 L2 模和能量模方面的一些误差估计。     

基于小波帧变换的多聚焦图像融合算法

提出了一种基于小波帧变换的多聚焦图像融合算法,本算法首先对图像进行小波帧变换,然后利用多聚焦图像的特点,采用区小波能量取大原则对高频系数进行融合,采用区域空间频率取大原则对低频系数进行融合,并进行一致性检验,最后通过重构得到融合图像.实验表明,该算法相比于传统小波变换法,具有更好的融合效果.     

一种基于可靠性的框架结构优化方法

以结构系统的可靠度作为结构优化设计的控制参数。用改进的分枝限界法判认主要失效模式。用PNET法计算结构系统的可靠度。导出了平面框架结构系统可靠度的灵敏度分析表达式。采用梯度投影型算法，求解了平面框架结构重量或造价为约束，最大化结构可靠度，这样一类结构优化问题。若干例题的计算结果表明，提出的方法是有效的。     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。     

Rotor Airload and Acoustics Prediction Based on CFD/CSD Coupling Method

An advanced airload and noise prediction method based on computational fluid dynamics/computational structural dynamics(CFD/CSD)coupling for helicopter rotor has been developed in this paper.In the present method,Navier-Stokes equation is applied as the governing equation,and a moving overset grid system is generated in order to account for the blade motions in rotation,flapping and pitching.The blade structural analysis is based on 14-DOF Euler beam model,and the finite element discretization is conducted on Hamilton′s variational principle and moderate deflection theory.Aerodynamic noise is calculated by Farassat 1 Aformula derived from FW-H equation.Using the developed method,numerical example of UH-60 Ais performed for aeroelastic loads calculation in a low-speed forward flight,and the calculated results are compared with both those from isolated CFD method and available experimental data.Then,rotor noise is emphatically calculated by CFD/CSD coupling method and compared with the isolated CFD method.The results show that the aerodynamic loads calculated from CFD/CSD method are more satisfactory than those from isolated CFD method,and the exclusion of blade structural deformation in rotor noise calculation may cause inaccurate results in low-speed forward flight state.     

基于智能变距拉杆的旋翼平衡实时调整方法

旋翼不平衡是造成直升机振动的重要原因,而传统旋翼平衡调整是一种定期维护方法,耗时长且无法长时间保持维护后的振动水平。本文研制了一套基于智能变距拉杆的旋翼平衡实时调整（In flight tuning,IFT）系统,可以根据计算机发出的数字指令控制智能变距拉杆长度实现桨叶变距输入,进而完成旋翼动平衡调整。试验发现智能变距拉杆杆端位移量对旋翼转频振动分量的影响呈线性规律,由此确定拉杆调整系数矩阵。当获取旋翼不平衡振动信息后,根据相位选择相应拉杆作为调整器,根据振幅在调整矢量方向投影的大小关系设计了调整策略,得到拉杆完成平衡调整所需的位移量。通过旋翼塔试验验证了该方法的有效性,结果表明该方法可以在直升机飞行过程中实时降低旋翼振动水平,有效提高了旋翼动平衡调整效率。     

基于弹簧系统网格变形方法的旋翼气弹耦合分析

在旋翼气动弹性耦合（CFD/CSD）分析中引入弹簧系统网格变形方法,建立了一套适合于旋翼气动载荷分析的CFD/CSD耦合方法。为了解决CFD/CSD耦合中关键的网格变形问题,旋翼桨叶贴体网格变形采用基于“ball-vertex” 弹簧系统的动态网格方法,通过添加冗余约束,避免了畸形网格单元的产生。旋翼流场计算采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD模块,对基于运动嵌套网格 的空间流场进行求解,湍流模型采用B-L模型。结构分析采用基于中等变形梁理论的CSD模块,基于Hamilton变分原理建立旋翼桨叶动力学方程。首先对振荡NACA0012翼型的流场进行了求解,验证了网格变形模块和CFD模块的有效性,然后采用UH-60A直升机旋翼作为算例对结构动力学模块进行数值验证。在此基础上,计算了UH-60A直升机旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动载荷,并与飞行测试数据进行了对比。计算结果表明,文中的弹簧系统网格变形方 法可以有效地用于旋翼CFD/CSD耦合计算分析,提高了旋翼气弹载荷的预测精度。     

一种旋翼轴裂纹扩展寿命分析方法

提出了一种旋翼轴裂纹扩展寿命分析方法。以某型号传动系统旋翼轴为研究对象,通过应力分析确定了疲劳破坏危险部位,建立了旋翼轴裂纹扩展的有限元模型。计算裂纹前沿的应力强度因子,对不同疲劳破坏危险部位进行了裂纹扩展的仿真分析,预测旋翼轴裂纹扩展寿命。通过对旋翼轴故障件进行分析验证了方法的可行性,该分析方法可用于直升机旋翼轴损伤容限设计。     

直升机旋翼桨叶动态气动载荷计算方法

为研究桨叶上的气动力,用动态入流模型计算的诱导速度,挥舞变形运动带来的相对气流,以及由于桨叶扭转和操纵线系变形带来的桨距角变化综合计入翼型气动环境,然后用Ｌｅｉｓｈｍａｎ和Ｂｅｄｄｏｅｓ发展的非定常气动模型计算了翼型的气动力。同时,考虑了桨尖形状对气动力的影响。最后,采用状态空间法对方程进行了离散化处理,以适合于计算机计算。编制了相应的计算程序,用于计算桨叶的气动载荷及其变形,并用算例分析了本方法的适用性。     

旋翼桨叶跨音速绕流的全势方程计算方法

在随桨叶旋转的坐标系中,用有限差分法求解非守恒格式的全势方程,建立了一个适用于矩形桨尖和后掠桨尖桨叶跨音速流场计算的方法。该方法运用了Ｊａｍｅｓｏｎ的旋转差分技术,并采用等效迎角方法计入旋翼尾迹的影响。作为算例,首先对无升力状态下具有矩形桨尖和后掠桨尖的ＯＮＥＲＡ桨叶进行了计算,取得了与试验数据相吻合的计算结果。然后,对有升力桨叶,也分别就悬停及前飞状态下的桨叶剖面压力分布进行了计算,通过与试验值的对比,进一步验证了该方法的可靠性。     

基于时间序列数据挖掘的旋转机械故障预报

提出一种基于时间序列数据挖掘的故障预报新方法。把故障前兆因子作为一种暂态,根据旋转机械轴承振动的实验数据建立时间序列．利用时延嵌入的方法重构状态空间,在状态空间中使用遗传算法搜寻最优暂态束．组成暂态集。用暂态集对旋转机械轴承振动的测试数据进行分析．判断是否为故障前兆因子．从而实现故障预报。     

基于CG法刚架结构位移参数的动态Bayes随机估计

在刚架结构随机有限元方程的基础上,首次建立了刚架结构位移参数的动态Bayes误差函数,推导了相应的动态Bayes均值和方差表达式,提出多维参数估计步长的一维自动寻优方案后,结合CG法研究了刚架结构位移参数的动态Bayes随机估计方法,同时给出了刚架结构位移参数具体估计步骤。研究表明,动态Bayes随机估计方法能有效地动态估计刚架结构位移参数,具有迭代次数少、计算精度高、收敛速度快的优点,且能同时进行多参数估计;刚架结构位移参数的收敛性依赖于位移参数先验信息的准确性;动态Bayes方法也可用于其他位移参数的动态识别。     

基于VVPM/CA耦合的旋翼非定常载荷计算

为了提高旋翼非定常载荷计算精度,将基于黏性涡粒子方法(Viscous vortex particle method,VVPM)的尾迹计算引入至旋翼综合分析(Comprehensive analysis,CA)中,建立了一个新的旋翼VVPM/CA耦合计算模型。该模型中,旋翼VVPM基于第一性原理,可模拟尾迹的畸变和扩散而不引入经验参数,而旋翼CA则可以有效地进行桨叶弹性变形及非定常载荷计算,通过采用松耦合策略,可以高效地实现两者的信息交换。在此基础上,以SA349/2直升机为算例,针对其低速和高速两种典型前飞状态进行了深入分析,计算表明,本文建立的VVPM/CA耦合分析可以有效地预测旋翼尾迹形状及非定常载荷。     

基于参数化组件描述的复合材料桨叶结构设计

针对目前直升机复合材料桨叶结构设计效率低的问题,提出了一种基于参数化组件描述的复合材料桨叶结构设计方法.该方法以旋翼菜叶理论外形数据模型为基本依据,根据对各桨叶组件构造形式的归纳,完成了桨叶蒙皮铺层、前缘配重、大粱、肋以及后缘条等主要组件的参数化描述,从而能够对菜叶整体结构进行方便快捷的定义;结合桨叶理论外形和各组件的定义数据,通过算法自动荻取所分析截面的信息,并生成相应截面的剖面图.实例验证表明,提出的方法能够完成桨叶的结构设计,提高桨叶设计分析的效率.