CFD技术在航空工程领域的应用、挑战与发展

计算流体力学(CFD)技术在航空工程领域发挥着重要作用。总结了CFD技术在航空工程领域中的应用,系统阐述了气动设计、气动弹性、气动噪声、数字化飞行等多学科耦合计算领域对CFD技术的需求,结合实际工程应用分析了CFD技术面临的主要挑战。总结了近年来CFD技术在流动分离、边界层转捩、高精度方法和运动网格技术等领域取得的研究成果以及在气动特性评估、流动机理分析、气动设计、气动弹性、气动噪声等工程领域中的应用。进一步展望了CFD数值模拟未来的几个关键技术以及应用前景。     

基于多物理场耦合的双脉冲发动机点火过程数值模拟

为研究双脉冲固体火箭发动机Ⅱ脉冲点火瞬态过程,发展一套多物理场耦合求解器。流体控制方程基于有限体积法求解,时间推进采用双时间步LU-SGS(Lower Upper Symmetric Guass Seidel)方法;固体推进剂表面温度基于耦合传热方法计算;结构动力学运动方程基于有限元方法离散,采用经典的Newmark格式进行时间推进,流固耦合采用松耦合算法,并通过算例验证求解器的可靠性。计算结果表明:该求解器能够数值模拟Ⅱ脉冲启动过程中的点火药气体冲击、燃气非定常流动及金属膜片机械响应过程,获得金属膜片的破裂时间和压强;且随着点火质量流率增加,推进剂装药首次点燃时间和金属膜片破裂时间变短,膜片破裂压强降低;金属膜片破裂时间和压强不仅与作用在其表面的压强载荷大小相关,而且与压强载荷加载的过程相关;金属膜片厚度越薄,膜片破裂时间越短,膜片轴向位移越大,膜片破裂压强越低。     

流体运动中的非Fourier传热

 分析了运动流体中非Ｆｏｕｒｉｅｒ传热的数理基础。运用特征一次特征方法阐明基本方程组的影响域、决定域等概念及其物理内涵；强调热Ｍａｃｈ波的存在。以流动中固定热源问题证明基本关系正确；并给出当流动速度不小于热传播速度时,流汤中发生热激波。     

基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算

建立了一个基于Euler方程和自由尾迹分析的新的、高效的混合计算方法,用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动和噪声特性的研究.在该方法中,仅针对单片桨叶进行计算,通过求解Euler方程来捕捉流场中旋翼近尾迹的影响以及桨叶表面的非定常载荷,流场空间中旋翼远尾迹的位置由自由尾迹模型给出;提出了广义网格速度方法以将旋翼远尾迹的影响...     

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.      

锥形降落伞开伞过程流动结构相互作用的数值模拟

根据多结点开伞模型建立了锥形降落伞系统的变形动力学方程组来对充气过程中的伞衣柔性体变形过程进行模拟.结合多结点模型动力学方程结算代码和计算流体力学软件,对降落伞的充气过程进行流固耦合动态仿真,从而得到充气过程中伞衣外形和流场的变化,以及充气时间、下降速度变化和下降距离等相关数据,与国外研究成果相吻合.      

高效确定重叠网格对应关系的距离减缩法及其应用

提出了“距离减缩法”,可以通过搜索有限几个数目很少的点来寻找到目标单元,从而可以快速确定重叠网格之间的对应关系,应用于重叠网格洞点识别与插值单元寻址两个方面,并且还可以结合Inverse Map方法高效建立网格之间的映射关系。该方法将三维搜索化为准一维搜索,大幅度提高搜索效率,且算法通用性强、易于实现。应用表明：利用该方法可以迅速识别洞点,与等参变换结合可以有方向地快速锁定插值单元,找点效率高,适用于计算流体力学(CFD)三维非定常计算中有相对运动的重叠网格系统在每一个时间站位都需要重新进行洞点识别与插值单元寻址的计算,可以有效节省计算时间,具有工程实用价值。     

滑阀先导式高压气动减压阀结冰特性

针对自主研制的高压气动比例减压阀出现的结冰问题,结合数学仿真和流场计算进行了深入分析。结冰出现在先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔说明温度并非导致结冰的唯一因素。建立了减压阀的数学模型,计算得出先导阀节流口面积比与先导阀中间腔压力以及温度的关系曲线,并得出使用2级和3级气源时先导阀中间腔结露的临界面积比分别为1.70和1.22。仿真结果表明,通过减小先导阀节流口面积比可以提高先导阀中间腔温度从而减少结冰的可能性。建立了先导阀的网格模型,用Fluent计算出阀内的流场分布,压力流场分布与理论计算符合得较好;速度流场及气流流线图表明出现结冰与气流受阀内结构阻挡有关,通过合理设计流道可有效避免结冰。     

改进的综合CFD与畸变合成法预测动态畸变(英文)

对综合CFD与畸变合成方法进行了改进。通过CFD求解,获得AIP上各稳态气动参数。采用BP人工神经网络直接求解高度非线性的湍流相关方程,该方程将CFD求解的稳态气动参数与试验测得湍流度进行关联。经过训练的网络可根据稳态CFD结果预测湍流度。之后根据CFD计算的稳态总压和神经网络预测的湍流度合成动态压力。最后根据合成的动态压力寻找最大瞬时畸变。文中使用了六个工况的飞行数据验证该方法的准确度并且与原方法的计算结果进行了比较。结果表明该方法预测的畸变值与试验畸变值吻合较好,且预测结果较原方法与试验值更接近,该方法能够在试验前用来预测动态畸变,具有很强的工程价值。     

刷式密封温度场数值研究

分析了刷式密封中摩擦生热和热传递的机理,在此基础上将刷丝区域视为各向异性多孔介质、用阻抗力表示刷丝对流体的阻碍作用、以摩擦热为热源建立了计算流体动力学(CFD)模型;得到了刷式密封区域的压力、速度以及温度场分布;并得出了密封区域最高温度和安装过盈量、密封压差的对应关系.结果表明刷丝与转子接触面上存在显著温升,温度场在径向呈阶梯状分布且温度值沿转子外法线方向衰减;密封区域流体对流和出口泄漏流对于温度分布影响较大.计算结果能为刷式密封结构设计、接触副材料选择和密封环安装方式提供参考和指导.