基于离散伴随方程求解梯度信息的若干问题研究

基于自主研发的大规模并行化结构化网格RANS求解器PMB3D,开展了黏性离散伴随方程构造、求解方法的研究与讨论。首先对离散伴随求解梯度的思想进行简要介绍,进一步对无黏项、人工黏性项、黏性项部分对离散伴随方程贡献以及变分推导进行了详细介绍;文中对离散伴随方程无黏项、黏性项边界条件实现形式进行了详细研究,并对关键模块变分推导的一些简化方式进行了研究讨论,通过典型宽体飞机标模、外压式超声速进气道算例,分析了所采用的简化处理方式对不同问题梯度求解精度的影响。最后在并行化求解、时间推进以及加速收敛方面进行了探讨、验证。数值模拟表明,文中采用的离散伴随方程形式更有利于程序化、模块化,梯度计算精度完全满足气动优化设计需要。     

考虑吸气影响的层流翼型梯度优化设计

针对层流翼优化设计问题,推导考虑吸气影响的层流-湍流转捩耦合伴随方程,并结合链式求导法则、自动微分技术及CK(Coupled Krylov)算法实现耦合伴随方程的高效求解,构建基于离散伴随理论的混合层流(HLF)翼梯度优化设计系统。转捩预测采用基于扰动放大因子模型(AFM)的e^N方法。层流飞行试验结果表明,基于AFM的转捩预测方法能够有效捕捉吸气控制影响下T-S(Tollmien-Schlichting)扰动波失稳诱导的转捩现象。利用构建的梯度优化系统开展层流翼型多点设计,并与非梯度优化方法的优化结果进行对比。自然层流设计结果对比显示,不同优化方法得到的设计结果呈现出较强的一致性。混合层流翼型多点设计结果显示,混合层流优化具有比自然层流优化更强的减阻能力。相比于自然层流优化翼型,混合层流优化翼型分别减阻6.1%、5.9%、33.3%、9.5%。本文构建的基于离散伴随的层流翼梯度优化方法能使混合层流机翼的气动性能得到大幅提升,可为未来混合层流机翼减阻设计提供方法支撑。     

基于深度神经网络的超声速隔离段湍流涡黏性系数辨识

雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程由于计算成本较低，当前仍然在工程设计领域广泛应用。为了进一步提升计算精度和减少时间，应用深度神经网络（deep neural networks, DNN）方法自适应辨识稳态湍流涡黏性系数。以隔离段的激波串前缘位置检测流场生成为例，使用Wilcox-2006 k-ω湍流模型进行模拟。在不同的背压情况下，产生稳定状态的湍流涡黏性流场作为模型学习的训练数据集。最后在不同背压条件下开展了测试。结果表明：提出的DNN方法能够快速预测湍流涡黏性系数的值，预测值与计算流体力学数值模拟计算的参数值相比，方均根误差较小，可决系数大于99%，预测的流场结果与真实流场基本一致，进一步验证了深度学习技术在湍流模型参数辨识的可行性。     

基于离散伴随的层流翼优化设计方法

层流技术是未来发展绿色航空的核心技术,可处理大规模设计变量的高效、鲁棒的优化设计方法是推动层流技术工程应用转化的关键环节之一。基于高可信度RANS求解器,结合准三维层流边界层方程、Drela-Giles和C1准则,建立了可同时捕捉Tollmien-Schlichting(TS)和Crossflow(CF)不稳定性的转捩预测方法,与典型风洞和飞行试验对比,验证了该方法的可靠性。通过严格物面插值、获得准确的间歇因子函数以剔除气动力计算引入的数值噪声,精确推导了考虑转捩的耦合伴随方程,并结合无矩阵存储技术、链式求导法则、反向混合自动微分及Coupled Krylov(CK)算法发展了耦合伴随方程高效求解方法,最终建立了基于离散伴随的层流翼梯度优化设计方法。针对典型客机翼身组合体构型的气动优化显著推迟了转捩,获得了10.48%的减阻收益。优化结果表明,建立的层流翼梯度优化方法能够有效处理多种转捩机制并存的复杂三维层流翼优化问题。     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式,并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率,将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计,一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

高黏度新型功能材料黏性系数的参数辨识

高黏度氧化硅复合材料是目前国内综合性能较好的一种新型功能材料,高温黏性系数是其重要的性能表征参数,本文利用烧蚀求解的反问题原理,应用灵敏度法,推导出了确定黏性系数参数的灵敏度方程,并给出这种高黏度功能材料的黏性系数,利用计算的黏性系数得到的烧蚀速率的计算结果与试验结果是相符的.     

基于S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流数值模拟

考虑到γ-Re_θt转捩模型中间隙因子输运方程并不依赖于具体的湍流模型,因而提出了耦合S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流模拟方法.其主要思想是构造与间歇因子相关的两个耦合函数,分别作用到S-A模型的生成项和耗散项用以控制湍流的产生与发展,从而实现层流到湍流的数值转捩.结果表明:该方法中模型方程具有完全当地性的特点,易于实施,可直接用以求解三维转捩流动.4个典型算例表明该方法模拟结果与γ-Re_θt模型准确度相当,但少求解了两个输运方程,计算耗时减少了15%.      

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

一种关于静压气体轴承节流孔系数的计算方法

基于层流边界层方程的分离变量算法和雷诺方程的解析算法,提出了一种关于单节流孔静压气体止推轴承的节流孔系数的计算方法。该方法通过比较层流边界层方程计算获得的气体轴承的质量流量和雷诺方程计算获得的质量流量计算获得了节流孔系数。将计算获得的节流孔系数和节流孔系数为常数0.8代入单节流孔气体止推轴承的雷诺方程中,计算获得的承载力与分离变量算法求解层流边界层方程获得的承载力进行对比,可以发现,相对于采用节流孔系数为0.8来说, 采用该计算的节流孔系数求解雷诺方程的承载力与分离变量算法求解获得的承载力结果精度最大提高了8%。从而验证了该计算节流孔系数方法的正确性。      

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.     

湍流射流扩散火焰的层流火焰面模拟

采用双尺度κ-ε湍流模型，标量联合的概率密度函数（PDF）输运方程和层流火争面模型相结合，模拟湍流射流扩散火焰，比较了几种不同κ-ε湍流模型对轴对称湍流射流速度场模拟的结果，建立了混合物分数和湍流频率的联合PDF输运方程，并假定湍流频率和标量 线性关系，得到标量耗散率的概率分布，化学组分的浓度和温度由层流火焰面系综的平均得到，计算结果与直接用化学反应动力学计算的结果及实验数据做了比较。     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析,给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析,计算结果与理论及实验吻合。     

基于连续伴随方法的高超声速飞行器高精度气动优化

高精度气动优化是改善高超声速飞行器气动性能的必要途径。基于Navier-Stokes方程推导了连续伴随方程以及与气动力目标函数对应的边界条件和壁面灵敏度公式,考虑了层流输运系数变分对伴随方程的贡献,采用基于二阶熵修正Roe格式的伴随对流项离散形式,构造了适用于高超声速流动的连续伴随求解器;结合FFD （Free Form Deformation）参数化方法和SQP （Sequential Quadratic Programming）优化算法构建了高精度梯度优化框架;在高超声速来流条件下对二维翼型和Sanger飞行器机翼优化开展了验证和应用。结果显示,在高超声速流动条件下所采用的伴随对流项离散形式具有较好的鲁棒性和低耗散性;连续伴随求解器能够较好地给出气动力目标函数梯度;优化后Sanger机翼构型通过二次激波压缩实现了减阻增升,升阻比提高5.0%;验证了连续伴随优化作为高超声速飞行器高精度气动优化方法的可行性。     

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。     

无网格法耦合RNG k-ε湍流模型在亚、跨声速翼型黏性绕流中的数值模拟

基于移动最小二乘无网格方法,耦合RNG(Re-Normalisation Group)k-ε湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程。采用AUSM(Advection Upstream Splitting Method)+-up迎风格式求解数值通量,应用在高度各向异性点云结构中取得良好结果的点云重构技术结合移动最小二乘法拟合空间导数,并用三阶SSP(Strong Stability Preserving)型Runge-Kutta显式时间推进格式求解离散后的控制方程。在此基础之上,实现了对NACA0012、RAE2822翼型亚、跨声速黏性绕流的数值模拟,给出了翼型表面压力系数分布曲线、不同位置处的平均速度剖面、马赫数等值线等计算结果,并与实验值及相关文献数值模拟结果进行比较,结果吻合较好。表明所发展的结合点云重构技术的无网格方法耦合RNGk-ε湍流模型能够成功模拟翼型亚、跨声速黏性绕流,验证了所提算法的有效性,并拓展了无网格方法求解湍流流动的途径。     

三维不可压缩层流、转捩、湍流边界层的数值计算

本文提出了一种计算三维不可压缩边界层的数值解法,其中包括对层流边界层的微分法,对湍流边界层的积分法以及利用Orr-Sommerfeld方程计算转捩的数值解,当扰动振幅达到e~(13.5)时发生转捩。 按照上述方法,本文计算了ONERA M6后掠角为30°的机翼,计算结果分别和Cebeci和Cousteix的结果作了对比,二者吻合较好。     

湍流的通用物理方程

利用变形张量及摄动变形位移的点积分解湍流脉动速度,并使用密度加权的侧偏系综平均方法取代 Reynolds平均方法,在不引入任何物理假设的情况下,对 Navier-Stokes方程进行平均。未知相关量在三阶精度上才出现,截断之后,获得具有二阶精度的封闭的湍流方程组。该方程组无相关量,不引入任何经验系数,无需构造任何湍流模型,即可描述 Ma<3.6流速的任意复杂湍流场并解释湍流的物理本质。本文仅对推导思路及方程组做概要介绍。      

NS方程计算中耦合转捩自动判断的阻力精确计算方法初探

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合了流动转捩的自动判断以提高现有求解器预测翼型阻力的准确性.由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用简化的eN-数据库转捩判断方法分析层流边界层的解得到转捩点的位置,这样随着流场的迭代求解求解器自动判断转捩点的位置.在对NLF0416翼型的气动性能计算中考虑流动转捩的因素后得到的翼型升阻力特性和实验吻合较好,验证了本文方法的正确性.     

高阶精度方法下的湍流生成项对跨声速流动数值模拟的影响研究

利用五阶空间离散精度的WCNS格式和多块结构网格技术,通过求解雷诺平均NS方程,开展了SST两方程模型不同湍流生成项组合方式对跨声速流动数值模拟影响的计算分析。研究的主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的工程应用提供技术支撑。计算模型采用了RAE2822超临界翼型和DLR-F6翼身组合体构型。研究内容主要包括不同湍流生成项对残差收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及模型整体气动力特性的影响。不同湍流生成项组合方式的流场计算结果还与风洞试验数据进行了对比。研究结果表明:对于小迎角不存在明显分离的跨声速流动,不同湍流生成项对流场的高精度计算结果的影响很小,可以不用考虑。     

无网格法耦合RNGk-ε湍流模型在亚、跨声速翼型黏性绕流中的数值模拟

 基于移动最小二乘无网格方法,耦合RNG (Re-Normalisation Group) k-ε湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程。采用AUSM (Advection Upstream Splitting Method)⁺-up迎风格式求解数值通量,应用在高度各向异性点云结构中取得良好结果的点云重构技术结合移动最小二乘法拟合空间导数,并用三阶SSP (Strong Stability Preserving)型Runge-Kutta显式时间推进格式求解离散后的控制方程。在此基础之上,实现了对NACA0012、RAE2822翼型亚、跨声速黏性绕流的数值模拟,给出了翼型表面压力系数分布曲线、不同位置处的平均速度剖面、马赫数等值线等计算结果,并与实验值及相关文献数值模拟结果进行比较,结果吻合较好。表明所发展的结合点云重构技术的无网格方法耦合RNG k-ε湍流模型能够成功模拟翼型亚、跨声速黏性绕流,验证了所提算法的有效性,并拓展了无网格方法求解湍流流动的途径。