高升力标模确认计算研究

针对高升力标模NASA Trapwing全展襟翼构型展开确认计算研究。采用N-S方法,预测高升力模型的流动状态,分析高升力的流动现象及机理,评估自主研发的WiseManPlus软件及WoF90软件预测高升力流动的能力。通过对网格生成、计算策略及数据分析等各个环节进行分析,制定出一套适用于高升力模型工程应用的CFD计算方法,得到与实验值吻合较好的计算结果。结果表明,目前所采用的结构网格求解器WiseManPlus软件及混合网格求解器WoF90软件计算精度相当,适用于模拟高升力流动。     

HiLiftPW-1～HiLiftPW-3数值模拟技术综述

针对典型运输机高升力构型,源于DPW(Drag Prediction Workshop)系列会议,美国航空航天学会(AIAA)组织的高升力预测研讨会(High Lift Prediction Workshop,HiLiftPW)已经连续举办了3届(HiLiftPW-1~HiLiftPW-3)。HiLiftPW系列会议的主要目的是评估现代CFD技术模拟典型运输机高升力构型的能力,促进高升力构型的复杂流动机理研究,指明高升力构型数值模拟技术的研究方向。本文概述了HiLiftPW-1~HiLiftPW-3会议的基本情况及主要结论;介绍了历次HiLiftPW会议所采用的高升力构型及风洞试验情况;并从计算网格生成、计算方法与湍流模型、计算结果与试验结果的对比等方面总结了CFD验证与确认工作的进展;最后给出了进一步开展CFD验证与确认工作的思考与建议。     

NASA TrapWing高升力标模数值模拟研究

针对NASA TrapWing高升力全展襟翼构型，采用计算流体力学（ CFD）方法进行三维复杂流场仿真模拟，考察网格尺度和湍流模型对高升力模型气动特性的影响。采用“超立方体”概念，生成绕TrapWing模型的不同网格密度高质量多块结构网格，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程，研究网格尺度对高升力模型气动特性的影响。在此基础上选取中等规模计算网格，考察Spalart Allmaras和Menter k-ωSST湍流模型对高升力全展构型流场模拟能力，分析湍流模型对气动特性的影响。研究结果表明：网格策略具有较好的网格收敛性；湍流模型对翼稍附近位置上翼面压力系数的预测稍有影响，SA湍流模型预测的压力系数较SST更接近实验值。确认研究工作为大型飞机增升装置数值模拟提供了一定的参考。     

三维Euler方程非结构自适应网格投影和光顺技术研究

研究了三维Euler方程非结构自适应网格的投影和光顺技术.以ONERA M6机翼为计算模型,非结构网格为计算网格,守恒变量的范数为自适应加密准则,对采用一般自适应计算策略得到的网格和数值结果进行了分析,并发展了一种考虑网格投影和光顺的自适应计算策略.数值试验结果表明:通过对自适应所生成网格的投影与光顺,实现了自适应计算过程中的几何保真性,获得了相对光滑的压力分布曲线.     

HiLiftPW-3高升力构型数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和拼接网格技术,采用MUSCL-Roe格式和Spalart-Almaras一方程湍流模型,对第3届高升力构型性能预测会议提供的两组高升力标模进行了数值模拟,主要目的是确认本文计算方法模拟复杂高升力构型的能力。研究内容主要包括高升力构型网格生成技术、网格收敛性研究及气动特性数值模拟。通过与JAXA （Japan Aerospace eXploration Agency）提供的测压、测力试验结果的对比分析,表明,在失速迎角之前,数值模拟得到的气动力系数和压力分布均与试验结果吻合;较好地模拟了局部外形变化引起的气动特性差量。本文建立的数值模拟方法对典型运输机三段翼布局的低速问题具有良好的适用性,可以为大飞机低速构型的气动设计及评估提供技术支撑。     

WCNS格式在梯形翼高升力构型模拟中的应用研究

采用5阶精度的有限差分格式WCNS-E-5,对梯形翼高升力构型进行了数值模拟。研究了网格收敛性,WCNS格式对网格的依赖性更小。得到了与实验结果相一致的气动特性和压力分布。通过与一些著名CFD软件的计算结果比较表明,相比二阶格式,WCNS格式模拟高升力构型有明显优势,特别在失速迎角附近对流动结构的刻画更准确。同时,验证了程序对复杂外形的模拟能力和鲁棒性。     

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。     

结构网格方法对高升力构型的应用研究

采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了梯形翼全展长与半展长高升力构型的复杂流场,并与试验做了对比分析。对应风洞试验是在NASA Langley 14×22英尺亚声速风洞(FST)和NASA Ames 12英尺增压风洞(PWT)中完成的。计算中采用一方程SA湍流模型和MUSCL-ROE格式,并综合运用对接/重叠/拼接网格技术,数值模拟了两种高升力构型的气动特性,给出了典型站位的压力分布,并对比研究了不同结构网格技术对此类高升力构型的计算差异。研究表明,与修正后的试验数据相比,数值模拟得到的气动力系数和典型剖面的压力分布均与试验结果吻合良好。     

基于伴随方程方法的非结构网格自适应技术及应用

对基于伴随方程的网格自适应技术的基本原理进行了研究,构造并实现了基于流场伴随方程的非结构网格自适应探测器,利用局部加密网格的办法,建立了基于Euler方程的无粘伴随自适应能力。对于粘性流动问题,提出首先应用无粘计算和伴随自适应技术从基准网格自动生成具有较好网格分辨率的非结构自适应网格,然后采用层推进法自动生成粘性计算网格的求解策略。采用RAE2822二维翼型和ONERA-M6三维机翼对所建立的无粘伴随自适应方法进行了验证,并应用所提出的方法和策略,对第二届国际涡流试验项目(VFE-2)中的65°尖前缘三角翼大攻角涡流场进行了数值模拟。对比计算结果表明,所建立的非结构网格伴随自适应方法是可行的和有效的。     

某民机着陆构型雷诺数效应风洞试验研究

通过对某民机增升装置着陆构型进行半模高雷诺数风洞试验,获得了不同马赫数下的雷诺数影响。结果表明:对于该民机的着陆构型,在试验雷诺数范围内,雷诺数对最大升力系数的影响存在敏感区域,最大升力系数随雷诺数增加的变化并不单调,但趋于平缓,纵向静稳定性随着雷诺数增加而增大。     

网格拓扑和湍流模型参数对多段翼流动的影响

计算网格和湍流模型是影响CFD结果不确定的重要因素。基于NHLP-2D高升力翼型开展了数值试验对比研究,采用多块分区方法研究了适用于二维复杂构型的网格拓扑结构和网格分布方法,并在尽量排除网格影响因素的情况下,采用均匀设计方法初步分析了SST模型参数在低速多段翼型绕流流场中的影响大小。研究成果在工程应用中具有一定的参考价值。     

大型运输机动力增升喷流效应数值模拟

参照C-17运输机发动机安装位置,考虑内、外涵道分开排气,建立了外吹式襟翼动力增升全机几何分析模型以及相应的巡航构型.采用结构化多块网格技术,基于雷诺平均Navier-Stokes方法,分别对全机增升构型和单独发动机动力喷流进行数值模拟验证,在此基础上对外吹式襟翼动力喷流效应展开研究.对于低速动力增升构型,发动机喷流大部分直接冲刷襟翼下表面而后向下偏转,部分高速气流经襟翼缝道引射并加速后吹向襟翼上表面,两部分气流在襟翼后缘汇合并向下游延伸,喷流冲刷襟翼时存在明显展向横流特征.在动力喷流影响下,不仅襟翼环量大幅增加,缝翼和主翼上的环量也均有所增加,全机可用升力系数和最大升力系数均突破了机械式增升装置的极限,达到4.0以上.同时,全机低头力矩大幅增加,为纵向配平带来额外的压力.对于相应的高速巡航构型,发动机喷流主要影响机翼下表面的压力分布,使得全机升力减小,阻力明显增大.动力增升构型在基本翼设计过程中应充分考虑喷流的影响.      

螺旋桨滑流对带后缘襟翼机翼气动特性影响的数值分析

采用动量理论结合有限体积法求解N-S方程的方法,进行了螺旋桨滑流对带后缘襟翼机翼气动特性干扰的数值模拟分析.螺旋桨模型简化为一个激励盘,即一个无厚度可穿透的圆盘,以给定的圆盘拉力载荷,即压强差来模拟螺旋桨滑流的效果.采用嵌套网格技术处理桨盘与机翼间复杂的几何关系.算例计算表明,该计算方法能够较好的模拟滑流对带后缘襟翼机翼气动特性的影响.     

翼吊发动机短舱对增升装置气动特性影响研究

增升装置的气动效率对于全机整体性能有重要影响,而当代大多数跨音速运输类飞机均采用翼吊发动机布局。通过对有、无翼吊短舱的两个三维增升装置的数值模拟,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响。结果表明,翼吊发动机短舱会严重恶化增升装置的气动性能。流动机理分析表明,短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流是造成增升装置气动性能恶化的两个主要原因。     

NLR-7301高升力翼型绕流评估计算

探讨了在二维高升力多段翼型绕流计算中附面层网格采用各向异性三角形网格的技术。通过对经典的NLR-7301两段翼型绕流的计算,从数值计算角度评估了自研混合网格雷诺平均N-S方程求解软件对该类型附面层网格的解算能力。通过与确认试验数据对比,在附面层采用各向异性三角形网格进行二维高升力多段翼型绕流计算,其结果具有较高的可信度。在此基础上,采用同样策略,评估了多段翼型绕流计算中翼型后缘的几何处理、湍流模型选取等关键CFD要素对计算结果的影响。     

运输类飞机高升力构型数值模拟研究

高升力装置对大多数运输机的大小、吨位、经济性及安全性都有重要的影响。由于复杂的流动机理、几何外形、支撑机构及驱动系统之间的矛盾关系,导致高升力系统的设计周期很长并且很大程度上依赖于试验[1]。然而,随着计算机软件和硬件的迅速发展,近几年的工程设计中N-S方程应用日趋广泛。在空气动力学设计领域,计算机辅助设计手段已经逐步替代了过去的经验设计手段,并且国内飞机设计单位的科研人员也开始花费越来越多的时间应用流体仿真软件来达到设计目标,而不是像过去那样完全依赖试验结果去设计和分析飞机气动力特性,高升力装置设计也是如此。本文着重对著名的MSES软件和CFX软件在高升力装置模拟中的工程应用进行探索,并和风洞试验结果进行比较,初步研究了高升力装置数值模拟在飞机设计工程应用中存在的一些问题。     

低速增升装置失速特性预测研究

民机低速增升装置失速特性是具有挑战性的空气动力学难题之一,决定着飞机起、降阶段机翼处于流动分离或尾迹干扰状态时的操纵稳定性,是气动设计必须关注的重要方面。利用基于N-S方程的自研多块结构网格计算软件和混合网格计算软件,对NASA高升力梯形机翼标准模型开展了失速特性计算研究,系统评估了计算软件、计算网格、湍流模型等主要因素对失速特性的影响,获得了有效预测高升力构型失速特性的计算方案,并将其成功应用于工程实际,为增升装置失速特性计算评估提供了有意义的参考。     

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

并行化非结构重叠网格隐式装配技术

重叠网格技术广泛应用于复杂外形及多体分离问题的数值模拟,但是超大规模重叠网格装配的鲁棒性和效率依然是实际应用中的瓶颈。基于格心型的有限体积格式,发展了一种并行化的非结构重叠网格隐式装配技术。该技术采用节点的壁面距离作为插值边界的判断准则,并通过物理边界推进确定出活跃区域。此外,基于网格分区策略实现了隐式装配技术的并行化,为了能够适应超大规模的计算网格,在每一个网格子区内单独建立用于查询的交替数字树（ADT）数据结构,整体网格点在各个子区内进行查询,并通过信息通讯接口（MPI）传递查询结果并进行逻辑判断。该并行化的非结构重叠网格隐式装配技术具有较高的自动化程度,通过多体装配算例以及机翼外挂物分离算例,证明了该方法的实用性。