带冷气影响的某高压涡轮级流场分析

本文采用CFD软件CFX—TASCflow对带冷气影响的某高压涡轮级流场进行了数值模拟。叶片的气膜冷却流动运用了源项模拟方法,将各排气膜孔用槽缝代替。计算中还考虑了动叶叶尖间隙的影响。     

基于高阶WENO格式的旋翼非定常涡流场数值模拟

为提高直升机旋翼黏性涡流场计算流体力学（CFD）的计算精度及降低数值耗散,发展了一套基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式的旋翼非定常涡流场数值计算方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕前飞状态旋翼的网格系统,以Navier-Stokes方程作为主控方程,湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras模型。为了提高旋翼流场中对涡的形成、演化等发展过程的模拟精度,采用高间断分辨率的Roe-WENO格式计算对流通量。对状态变量的插值,选取适当的加权因子,通过多个重构模板的凸组合来构造五阶WENO格式,在交界面附近获得具有五阶精度的状态变量。为了提高计算效率,采用高效的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）推进方法和并行计算策略。最后,运用该方法分别对悬停状态下C-T（Caradonna-Tung）旋翼和UH-60A旋翼以及前飞状态下C-T旋翼和SA349/2旋翼的涡流场及气动特性进行了数值模拟,并将数值结果与传统二阶精度格式的计算值进行了对比。结果表明：在计算时间增长10%～20%的前提下,五阶WENO格式能够捕捉到更精确的涡流场特性,反映了五阶WENO格式在计算旋翼非定常涡流场时具有更高的计算精度与更低的数值耗散特性。     

A new non-linear vortex lattice method:Applications to wing aerodynamic optimizations

This paper presents a new non-linear formulation of the classical Vortex Lattice Method (VLM) approach for calculating the aerodynamic properties of lifting surfaces. The method accounts for the effects of viscosity, and due to its low computational cost, it represents a very good tool to perform rapid and accurate wing design and optimization procedures. The mathematical model is constructed by using two-dimensional viscous analyses of the wing span-wise sections, according to strip theory, and then coupling the strip viscous forces with the forces generated by the vortex rings distributed on the wing camber surface, calculated with a fully three-dimensional vortex lifting law. The numerical results obtained with the proposed method are validated with experimental data and show good agreement in predicting both the lift and pitching moment, as well as in predicting the wing drag. The method is applied to modifying the wing of an Unmanned Aerial System to increase its aerodynamic efficiency and to calculate the drag reductions obtained by an upper surface morphing technique for an adaptable regional aircraft wing.     

快速模型预测控制用于微型直升机航迹跟踪

为实现微型共轴无人直升机(MCUH)的航迹跟踪,考虑系统的状态和输入约束,利用非线性模型预测控制(NMPC)技术设计一种快速在线的控制器。首先,简化MCUH的非线性模型,利用系统的微分平坦特性生成满足直升机动力学的可行航迹,沿着该航迹对系统进行线性化,得到近似直升机非线性动力学的线性时变(LTV)模型。然后,将传统输出航迹跟踪NMPC问题转化为LTV-MPC优化问题,降低问题的复杂度,为确保航迹跟踪误差系统的指数渐近稳定,分别设计终端域和终端罚值。最后,通过数值仿真,验证快速在线NMPC策略的可行性。结果表明:设计的预测控制器误差控制精度高、求解速度快,可实现对有约束的时变航迹的跟踪。     

涡扇发动机部件特性的滤波自动修正更新方法

针对航空发动机部件制造装配以及性能蜕化引起的平均模型与个体发动机之间的性能不匹配问题,提出一种基于非线性滤波算法的发动机部件特性自动修正方法。根据发动机部件级平均模型输出与个体量测数据的残差,利用数据处理策略结合无迹卡尔曼滤波算法的不可测部件特性变化估计,自动更新发动机部件特性,建立发动机个体物理模型。通过小涵道比涡扇发动机仿真验证,结果表明该方法可自动修正发动机部件特性,相比较平均模型,通过该方法修正的发动机个体模型中各截面温度、压力计算偏差均在0.5%以内,有效提高涡扇发动机个体物理模型稳态、动态精度。     

飞机着陆过程中非定常地面效应数值模拟方法

针对飞机着陆过程的大位移运动,提出适于多块结构动网格生成的改进谢别德-无限插值混合方法,改进谢别德方法准确计算各网格块的边界网格变形,无限插值方法快速计算内部网格点变形,结合局部重构保证动态网格的合理分布.混合方法有效解决了单一无限插值法存在的动网格交错问题.进而将二维非定常地面效应N-S方程计算方法发展至三维情形,应用于带增升装置的翼身组合体着陆过程中非定常地面效应计算分析.结果表明:模型的升力系数随离地高度的减小而减小,非定常和准定常计算方法的结果存在一定差异,而考虑了非定常效应的算法更为准确.     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。     

基于HLLC格式的理想MHD方程数值模拟

针对理想MHD(magnetohydrodynamics)方程数值求解困难的问题,基于原始的HLLC (Harten-Lax-Van Leer Contact wave)近似黎曼解方法,发展出一种新的适用于理想MHD问题的通量计算格式。控制方程采用有限体积法离散,时间推进采用隐式的LU-SGS（lower-upper symmetric Gauss-Seidel）格式,并且采用双曲型散度清除技术来抑制磁场散度的累积。通过一维激波管问题的数值模拟表明,HLLC-MHD格式能准确的分辨并捕捉复杂的磁流体力学波系结构,保证数值计算的精度,最大的数值计算误差不超过10%;通过二维的Rotor问题的数值模拟研究表明,HLLC-MHD格式能够应用于多维理想MHD问题的数值模拟,并且能够准确捕捉多维情况下磁流场中的阿尔文波;通过对比有、无散度清除的Rotor问题计算结果表明,双曲型散度清除技术可以将磁场散度峰值从50降低到2,有效抑制高磁场散度区域的散度累积,同时也会将误差传播到低散度区域,并且引起边界处散度的累积,影响计算的稳定性。      

用保角转绘坐标解二维和轴对称可压流Euler方程

本文推导出用保角转绘正交曲线坐标表示的二维与轴对称Euler方程,方程中的未知量以曲线坐标方向的速度分量表示,并有不含未知量导数的源项。方程组的形式与直角坐标系中的接近,因而简化了计算。本文将该方程组用于计算二维任意翼型和旋成体轴对称绕流,采用分辨率较高的Eberle特征平均显式有限体积差分算法求解,在不同区域中用不同的显式推进步数加速收敛。本方法已分别对翼型和旋成体轴对称绕流编制了计算程序,可用于自由流为亚声速、跨声速和超声速的绕流计算。大量计算结果表明,本方法精度好,激波分辨率高,编程序简单。     

局部网格加密方法计算不可压N—S方程

本文发展了二维非定常不可压N-S方程的局部网格加密方法(LMR):需加密区域预先指定;仅对空间方向加密,分粗细二层网格,细网格覆盖在粗网格上;粗和细网格上分别用显式和隐式差分格式。结合压力修正法类的余量型差分格式,恰当地处理了粗细网格之间的信息传递,使得粗细网格交接面上质量守恒,即满足连续性条件。粗网格通过插值给细网格边界值影响细网格;细网格通过粗细网格压力Poisson方程耦合求解影响粗网格,并且由于压力Poisson方程从动量方程形成,在细网格覆盖下的粗网格上,压力Poisson方程是细网格方程的组合,从而耦合求解时粗细网格压力Poisson方程不需迭代。 本文中计算了二维方腔内的自然对流模型问题,Rayleigh数是10~6。粗网格用显式ULWC格式,细网格用隐式余量型近似因式分解格式。Poisson方程用快速直接算法PO1STG(在FISHPACK中)。粗网格距△=1/16,细网格距△=1/64,加密1/4区域,计算到定常局部网格加密方法所需CPU时间比同等均匀网格(△=1/64)节约一倍以上。