三维Euler/N-S方程的多重网格求解方法

1引言 求解飞行器复杂绕流的三维Euler/N-S方程,需要大量的机时,过去求解全机N-S方程,计算一个状态往往需要几天,甚至一周以上的时间,这大大地制约了CFD技术在实际工程问题中的应用.即使在计算机技术迅速发展的今天,提高计算效率,缩短计算时间,对CFD技术应用于工程实际仍然具有重要意义.多重网格技术,是提高计算效率的一种非常有效手段,据国外的经验,应用多重网格技术,可成倍,几倍甚至十倍地减少计算机时.但国内对这方面的研究还很不够,能成功应用于已开发的软件系统的则更为缺乏.本文的研究,就是为解决这一问题提供技术储备.     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

临近空间高速飞行器抛罩过程的动网格方法对比

飞行器抛罩是一个复杂的动力学、流体力学耦合问题,涉及六自由度运动方程与N-S方程的耦合求解,其中动网格非定常计算是关键技术。针对二维临近空间高速飞行器,将耦合过程简化为匀速旋转抛罩,对比分析了光顺重构法、重叠网格法、域动分层法三种工程易行的动网格方法的仿真结果,并得到如下结论:三种方法在整流罩关闭状态下的定常流场结果一致,均能捕捉到非定常开罩过程的典型特征,得到正确的起动结果;在非定常过程中光顺重构法的分离区吞入速度慢于重叠网格法和域动分层法;重叠网格法的计算通用性最好,域动分层法的计算速度最快,光顺重构法的理论精度最高;由于光顺重构法的网格更新对于复杂模型容易失败,域动分层法只能处理运动轨迹已知的问题,三维动力学耦合计算建议采用重叠网格法;在进行整流罩的三维设计时,应考虑溢流效应以缩小整流罩前方的大分离区,降低飞行器的控制及热防护上的困难。     

基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计

介绍了基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计方法.首先介绍了精度相对较高的飞行器气动和隐身特性数值计算方法,即,对于气动性能计算,求解的是结构网格上的NS方程加BL代数湍流模式;对于隐身特性计算,是用时域有限体积法来求解电磁学微分方程以获取RCS值.由于采用了高精度的数值方法,优化时单一设计点的气动性能计算和隐身性能计算变得较为耗时,因此在进行多目标遗传算法优化时本文采用了一种"少量样本计算+Kriging响应面模型建模"的优化策略.针对某类似X-47飞行器的一体化设计算例计算表明,上述设计方法是可行的,实现了优化设计中引入高精度的性能分析方法,有望提高优化结果的可信度.     

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

翼型扑翼运动流场的数值模拟

基于非定常N-S方程,利用动网格方法和预处理方法对翼型在低速度下扑翼运动进行数值模拟。采用Jameson中心格式的有限体积法、双时间推进法求解非定常N-S方程;紊流模型采用基于SA紊流模型的DES模型。本文计算模拟翼型在低雷诺数下扑翼运动过程,计算所得推力系数结果与实验参考结果吻合较好,对扑翼飞行器设计有一定参考价值。     

空中加油系统的多体动力学和CFD仿真

介绍了作者基于Fortran程序开发的一个多体动力学求解器.依托多刚体系统理论、基于绝对节点坐标(ANCF)法描述的常质量/变质量索梁单元和计算多体动力学方程组求解技术,该求解器可用于分析飞行器拖曳结构中的索-刚体约束系统的动力学问题.本文基于并行CFD求解器PMB3D的动态重叠网格功能,构建了多体动力学和计算流体力学的非定常耦合计算程序.以软式空中加油系统为例,对真实外形飞行器拖曳系统的气动-动力学特性进行了仿真研究.探讨了战斗机构型进行软式加油对接时产生的气动干扰问题,研究了受油机的接近速度和初始偏移量对对接效果的影响.     

平片型控制器湍流减阻的数值模拟

本文用数值方法求解了平片型控制器湍流减阻问题。出发方程和湍流模型分别采用部分拋物化的N-S方程和J-K模型。计算从控制器的上游开始,给出了单片装置及并排双片装置等两种典型的减阻结果,并和实验值进行了对比。     

扑翼微飞行器飞行时的数值模拟与分析

采用数值方法求解三维非定常不可压缩的N-S方程,生成了相应的扑翼微飞行器的三维动网格;模拟了扑翼微飞行器在不同频率、不同攻角、不同振幅、不同飞行速度、不同的翅膀初始位置下的非稳态流场;计算了扑翼微飞行器在不同运动模态下的升阻力系数;分析了影响扑翼微飞行器空气动力学的特性的不同因素;为扑翼微飞行器的飞行机制和建造提供了理论依据。     

基于NURBS方法的机翼气动外形优化

飞行器气动外形优化就是将设计对象的空气动力学性能分析与最优化方法相结合,通过不断改变设计对象的外形,使其气动性能在满足一定约束条件下达到最优.气动外形优化是一个涉及几何参数化、动网格、流场计算和寻优算法的综合应用平台.随着计算流体力学(CFD)的发展以及高性能计算机的使用,气动外形优化在现代飞行器设计中的作用愈加重要....     

MEMS与智能化流体力学

本文综述了微机电系统(MEMS)及其在流体力学和航空航天领域的应用概况;讨论了以MEMS为基础的流体测量和控制技术以及利用MEMS制作灵巧材料和灵巧结构,用于控制和改变飞行器部件乃至整个飞行器空气动力特性的若干例子;探讨了飞行器空气动力学从可变外形(DDG)到智能化外形(IAC)的发展前景;对于MEMS发展中涉及的微流体力学现象和问题也做了一些分析讨论.     

考虑传质传热效应的翼型积冰计算

本文采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘涉及传质传热效应的glaze ice积冰进行了预测.在流场计算中,用有限体积法对二维定常不可压粘流的时均N-S方程进行离散求解;采用四阶龙戈-库塔(RK)法求解水滴运动方程;通过求解在翼型表面控制体积内积冰过程中所遵循的质量和能量守恒方程,并且假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长,来预测积冰的形状.文中同时对结有glaze ice冰翼型的气动特性进行了计算与分析.     

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。     

可压缩湍流分离附面层的计算

如何预计有分离的流动,一直是流体力学中一个重要问题。N-S方程固然可以描写分离流,但在目前计算技术条件下求解该方程要耗费大量机时。通常求解附面层方程的方法常因在分离点附近出现奇点而失败。近年来发展了解附面层方程的反方法,即给定附面层位移厚度δ~*或阻力系数c_f,求附面层外边界速度u_e和其他参数。位移厚度和阻力系数均为未知量,故用反方法计算时必须先估计位移厚度或阻力系数,将算得的u_e值和     

微型扑翼飞行器的气动建模分析与试验

用计算流体力学的数值模拟方法研究了微扑翼飞行器的扑翼飞行的非定常空气动力学问题。在对昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上 ,对实际可飞的微扑翼飞行器的扑翼运动建立了三维翼型的运动学与空气动力学模型。利用任意拉格朗日欧拉 ( ALE)有限元方法求解出 N-S方程的数值解 ,证明简单扑翼布局所提供的升力足以克服微扑翼飞行器本身的重力使其飞行。在此基础上 ,分别计算并分析了拍动幅值、俯仰幅度以及扑翼频率等各种扑翼参数对升力的影响。最后 ,探索性的扑翼风洞试验与飞行试验结果在一定程度上验证了文中计算方法的可行性      

基于CFD方法对微型扑翼翼型设计的研究

基于CFD方法从扑翼设计的角度出发对扑翼的外形进行深入的研究.使用基于广义无限插值理论的代数网格生成方法开发适合扑翼运动的三维结构N-S动网格,并应用有限体积法结合双时间推进技术求解预处理后的低速三维非定常N-S方程,完成了对低速扑翼绕流的数值模拟.通过与文献算例的比较验证了本文方法的可靠性和正确性.在此基础上,对文献[8]中介绍的一种混合翼型的相关参数变化对扑翼气动特性的影响开展了深入的研究.     

基于CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

旋转弹在飞行过程中,由于表面气动载荷分布不对称,可能会出现耦合共振、灾难偏航等现象,使导弹飞行失常偏离目标。针对此类问题,采用非定常N-S方程和刚体动力学方程耦合求解的方法,仿真旋转弹飞行轨迹。非定常气动力计算使用非结构混合网格N-S方程求解程序HUNS3D,刚体六自由度运动方程采用改进的四阶Adams预估校正法求解。将这种耦合求解方法应用于美国ARL旋转弹试验模型的轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹姿态角、空间位置和气动力与相关文献进行对比分析,结果表明:本文方法能较精确地仿真旋转弹的飞行轨迹。     

边界层分离数值解

用N-S方程直接求解分离流的工作近几年已有不少。但这种计算比较费机时,需要存储最也大。在实际应用中,边界层理论仍然是研究分离流的一种好的近似方法。本文对二维、定常、不可压层流的分离流动进行了数值分析。主要内容有:(1)从典型的以流函数表示的边界层方程出发,对分离流进行数值计算。Keller和Cebeci曾用此方程求解过附体流动的反问题。在具有相似性解的条件下,这个方程简化为著名的Falkner-Skan方程,在初始剖面,这个方程简化为Blasius方程。(2)给     

钝体前激波的数值模拟

本文通过直接求解N-S方程,研究激波问题,对是否可以和如何用直接求解N-S方程来处理超跨声速流进行了探索,在对粘性项的处理建立可压缩流体的压力校正方程和计算方法等方面均提出并实施了新的方法,最终得到了基本合理的数值计算结果。     

地效飞行器三维地面效应的数值模拟

采用三维非结构贴体直角网格和N-S方程研究了三维地面效应的数值计算方法。用最小二乘法对N-S方程进行了MUSCL有限体积法的粘性求解,提出了带约束边界条件的最小二乘法的处理办法,修正了下垫面的数值边界条件,模拟了下垫面在低马赫数情况下对飞行器的地面效应作用。结果表明计算方法可以反映地面效应的基本原理和特性,模拟结果显示飞行器的地面效应不仅有正效应,而且可能有负效应。