大型通用CFD软件体系结构与数据结构研究

针对大型通用CFD软件研制的需求,从新一代结构/非结构混合流场解算器的研制出发,着重研究了大型CFD软件的体系结构和数据结构。首先,针对未来计算流体力学对大型通用CFD软件的需求进行了分析,对软件研制中将要面对的各种计算网格、物理模型、计算方法以及未来多学科耦合计算的发展趋势进行了充分的需求评估。在此基础上,提出了采用面向对象软件设计技术、进行大型CFD软件体系结构和数据结构设计的方法,包括软件的整体架构、层次结构等,其间提出了运行数据库的概念。最后,研制了基于结构/非结构网格的结构/非结构混合解算器(HyperFlow),并通过典型算例对软件进行了验证,同时推广应用于不可压缩非定常流计算、高阶精度DG/FV混合算法等领域,表明本文提出的CFD软件体系结构和数据结构具有良好的通用性和可扩展性。     

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。     

三维复杂几何外形的表面三角形网格自动生成

按点－线－面的层次数据结构,选取几种有代表性的曲线曲面,实现了三维复杂外形的表面描述。采用曲面到平面的保形变换,在平面内由阵面推进法自动生成三角形网格,实现了三维复杂外形的表面三角形网格自动生成。     

红外窗口不同冷却方式下的结构传热和热应力特性计算研究

对外冷喷流和内冷管流等不同冷却方式下的红外窗口传热和热应力进行了数值计算研究.窗口结构传热和热应力采用有限元方法求解,带外部冷喷流窗口外表面气动加热率则通过对带冷源项的N-S方程求解给出,当采用管流冷却时,管流液体温度和窗口结构温度通过耦合迭代方式统一求解,管流和壁面间的换热系数采用工程关联公式估算.研究表明,在达到来流总温以前,窗口各点温度和热应力随加热时间单调上升,各时刻最大温度发生在外表面;而最大热应力则发生在合金材料内部.两种冷却方式对比表明,外冷方式对于窗口整体温度和热应力的降低十分有效,但具体到局部重要部位,外冷方式效果不如内冷,内冷方式对于管道附近部位具有更好的降温和降低热应力效果.因红外窗口尺度限制,冷却管道流动雷诺数偏小,流动为层流态,这限制了冷却管换热效率的提高,因此建议增加管道数目和管壁粗糙度来强化冷却.     

基于动态混合网格的双鱼串列巡游数值模拟

观察研究发现,在鱼类的群游中,后鱼可以利用前鱼尾迹中有利的涡结构来增大自己的推力,减少功耗.本文利用作者以往发展的动态混合网格生成技术和相应的不可压缩流非定常计算方法,在单鱼巡游数值模拟的基础上,数值模拟了双鱼串列巡游的非定常流动,分析了摆动频率、摆动相位差以及流向间距对推力、功耗等流体动力学特性的影响.     

小型昆虫“合拢-打开”运动机制的增升机理数值研究

通过动态混合网格技术和基于虚拟压缩方法的不可压缩流非定常计算方法,对"合拢-打开"(clap-fling)机制下小型昆虫翼的周期性运动进行了数值模拟,并与单个翼拍动时的升力系数、流场结构进行了对比分析,同时对比研究了雷诺数对力学特性、流场结构的影响,探讨了"clap-fling"机制能够增强升力的流动机理.对比发现,"clap-fling"机制增升的关键在于合拢-打开过程中的三个升力峰值以及之后平动阶段的"不失速机制";且当雷诺数较小时,"clap-fling"机制增升效果最为明显.     

矩形/非结构混合网格技术及在二维/三维复杂无粘流场数值模拟中的应用

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／非结构混合网格技术,其中非结构网格仅限于物面附近,发挥非结构网格的几何灵活性,以少量的网格模拟复杂外形;同时在以外的区域采用矩形结构网格,发挥矩形网格计算简单快速的优势,有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足。混合网格系统由修正的四分树（２Ｄ）／八分树（３Ｄ）方法生成。本文将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算,消除了全矩形网格模拟曲面边界的台阶效应,同时保证了网格间的通量守恒。该算法被成功地运用于ＮＡＣＡ００１２翼型的跨、低超声速绕流,二维弯管内运动激波的非定常流,以及三维捆绑火箭的超声速绕流的数值模拟。计算结果表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性。     

HyperFLOW亚跨声速流动验证

主要介绍了结构/非结构混合CFD软件HyperFLOW的设计开发与验证.HyperFLOW软件在结构网格上采用结构算法,在非结构网格上采用非结构算法,以充分利用两种网格及解算器的优点.首先介绍了软件的体系结构和基本算法,然后采用NASA Trap-Wing高升力外形和DLR-F6翼身组合体,对软件的结构解算器和非结构解算器进行了验证.结果表明,该软件的结构解算器和非结构解算器均有较好的网格收敛性,计算结果与其他参考结果和试验数据均符合较好,具有可接受的可信度.     

中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

飞翼布局飞行器有望依靠射流主动流动控制技术实现无舵面飞行以改善隐身特性，但鲜有针对中等展弦比（3～4.5）战术级飞翼的相关研究。本文为中等展弦比飞翼布局无人机设计环量控制激励器取代传统副翼，开展全机数值模拟和飞行试验研究，探究后缘环量控制射流的滚转控制能力。数值模拟使用压力入口边界并考虑射流动量贡献的气动力，实现对飞翼绕流和激励器内流耦合模拟和整机气动特性预测。数值模拟研究表明，射流的滚转控制能力随射流动量系数线性增长，且未产生显著的横航向或横纵向耦合力矩。飞行试验结果表明，环量控制激励器实现了平均滚转角速率25.5～26.7 （°）/s，最大滚转角速率40.1 （°）/s，最大滚转角83.9°的控制效果。