CFD方法在背负式进气道堵锥风洞试验模型设计中的应用

在飞机的测力风洞试验中,为了模拟进气口附近流场,通常在进气道前设计堵锥,但对于背负式进气道飞机,常规的进气道堵锥设计可能不再适用。本文通过CFD方法进行了进气道堵锥类型的选择,使试验中风洞模型进气道附近流场的流态具有更高的相似性。     

直升机动力舱气动特性仿真及优化

在全机建模的基础上仿真计算了直升机动力舱灭火系统典型平飞、悬停和爬升飞行状态的动力舱流量。计算结果可作为灭火系统验证试验的输入条件。动力舱优化设计可以通过改变通风口的位置和大小,然后用本全机建模的方法仿真计算评估舱内流量,通过反复迭代找到适合设计要求的方案。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

中国CFD史

本文简要回顾了中国的CFD史,早在20世纪70年代,在钱学森教授的建议下,一些中国学者对计算流体动力学(CFD)这一新型学科产生了浓厚兴趣并开始研究.从那时起,中国的CFD逐渐发展繁荣起来,特别是从世纪之交,中国CFD非常活跃,为航空航天和其他民用领域做出了巨大贡献.在中国,特别注重CFD的研究与物理分析的结合.本文首先介绍了M5A的概念,它概括了中国CFD的主要研究领域;随后,介绍了设计格式的原则,以此原则为指导发展了一系列格式,比如NND格式、ENN格式和紧致格式.最近,发展了一系列高阶精度数值格式并应用于实际外形的复杂流动计算.再后,讨论了求解气动方程的网格尺寸准则.最后,同顾了如流动分离、流动拓扑结构和结构稳定性理论、旋涡沿其轴向演化和Hopf分叉理论、动导数和飞行稳定性等代表性工作.     

基于 CFD 和推阻分解技术的全机溢流阻力预测与分析

飞机在飞行过程中,根据性能需求,需要不断调整发动机活门流量系数,因此发动机短舱唇口的压力分布形态会发生很大变化,前方外流作用于进气道内流管上的合力也将改变,从而引起溢流阻力变化。本文基于某型号飞机,结合 CFD 动力模拟和推阻分解方法,获得不同流量系数下的溢流阻力,并分析流量系数、马赫数、高度、迎角对溢流阻力的影响。溢流阻力预测方法和影响研究可为飞机/涡扇发动机一体化设计、大涵道比短舱设计和气动力预测提供参考。     

混合网格方法研究栅格翼亚跨超声速气动特性

采用基于结构/非结构混合网格的CFD方法对栅格翼的亚跨声速气动特性进行了研究,计算方法经过试验数据的验证,可达到工程精度。对单独栅格翼的研究表明,跨声速壅塞时,流动通过栅格前方亚声速气流减速从栅格外侧溢流而实现流量调节;超声速壅塞时,流动通过在栅格翼上产生网状脱体激波使来流减速至亚声速来进行流量调节,且计算结果与理论估算上下临界马赫数范围一致。对某栅格翼气动布局导弹的计算结果表明,在跨声速壅塞区间内,壅塞有自我调节作用,通过溢流使栅格通道内维持相似流动,从而使栅格气动性能保持基本平稳;同时由于溢流使流量下降,栅格翼升力效率下降,导弹静稳定性减弱。     

舰载机暖机对舰岛影响的CFD数值模拟

为了对机舰适配性提供技术支持,文章研究了舰载机暖机对航母舰岛的热作用影响。首先,采用CATIA软件,建立航母与舰载机的3D数字样机;其次,采用Fluent软件,基于标准k-ε方程的湍流模型和三维N-S方程的控制理论,对航母与舰载机系统的数字样机进行CFD数值模拟,数值模拟了甲板风和燃气流相互作用和热交换作用下对舰岛的影响,并得出航母流场流线图、速度云图、动压云图和温度云图。数值模拟结果表明:暖机时,舰载机发动机的燃气流对舰岛及周边设备影响很大;最后,提出参考建议:舰岛及附近设备应进行抗热性能改进以满足暖机要求,人员禁止进入燃气流影响到的高温区域。     

风向对直升机旋翼与甲板流场结构影响

为了了解直升机旋翼流场与甲板流场的相互作用,采用数值模拟方法对船体与旋翼的复合流场进行求解.分析了不同风向时旋翼流场的流线形态、涡量分布与旋翼平衡性.详细阐述了复合流场中主要旋涡结构的产生及演变过程,并对旋涡结构进行分类.研究结果表明:旋翼流场与甲板流场间存在相互干扰,形成复杂的复合流场.0°风向时,旋翼的存在使得其后方甲板区域的涡流范围与气流下洗趋势增加明显;侧风会增大甲板区域涡流范围,加剧旋翼桨叶不平衡性;右舷15°风向时,旋翼升力能力与旋翼桨叶平衡性最差,该风向不利于直升机的甲板悬停.      

基于风洞试验的飞机侧风环境停放稳定性研究

根据风洞试验结果对某型号民用飞机在大侧风(风速大于35m/ s)情况下停放时的稳定性进行了研究与分析,发现当飞机在正侧风(侧风水平方向与机身垂直)作用下有较大的上仰力矩产生,导致机头上翘或有上翘的趋势。通过“部件组拆法”发现飞机垂尾的干扰使得平尾产生了一个抬头力矩,致使飞机存在倾倒的可能。试验后,通过CFD 仿真模拟计算分析了在侧风情况下机身表面的压力分布,并进行了相关的解释,作为对风洞试验的分析和补充。     

旋翼气动力数值模拟准确度影响因素计算

针对旋翼气动力CFD计算时的一些常见影响因素的选择问题,进行了数值计算讨论.计算求解器选择自研代码,该代码采用基于共享内存(OMP)的并行化方法,在嵌套网格系统下求解Navier-Stokes方程,空间方向上使用2阶迎风格式,时间方向采用双时间方法.讨论的问题包括背景网格数目对悬停桨尖涡捕捉、对前飞状态激波捕捉和气动力的影响,远场动量理论修正作用对计算结果影响等.对于讨论的不同网格数目情况下,计算的悬停状态旋翼拉力差异在6%左右,扭矩差异2.6%左右,旋翼前飞阻力和扭矩最大差异为2.58%和3.28%.是否采用动量修正旋翼拉力相差3%~5%.通过计算,给出了针对以上因素计算结果差异的范围,可以为旋翼气动力计算工作提供一定的参考.