类X-37B航天器气动力天地相关性数值模拟

随着高性能计算机的发展,CFD已成为飞行器设计和流场分析不可缺少的重要手段,风洞试验与飞行数据的天地相关性问题正是其中一项重要的研究内容,X-37B作为继航天飞机之后美国发展的最成功的可跨大气层在轨飞行器,从气动特性角度分析其大气层内飞行走廊的状态对中国类似航天器的研制具有重要的借鉴意义。首先,对计算类X-37B布局飞行器的网格无关性及网格修正开展了研究,在此基础上提出的网格规模影响修正方法对该类飞行器的计算结果修正经过验证是可信的;然后,分别对比分析了雷诺数的影响和试验状态支架干扰的影响,完成了基于数值模拟的高空飞行与风洞试验气动特性差异分析。结果表明,网格规模主要对亚声速来流计算状态压差产生的轴向力影响较大,对法向力系数、俯仰力矩系数和纵向压心影响较小;雷诺数对该类飞行器气动特性特别是轴向力系数、阻力系数和升阻比有较大的影响,但随着马赫数的增加,影响特性开始变的非常复杂;由于风洞试验状态支杆存在,亚跨声速来流条件对该类飞行器的底阻影响很大,需要采取一定的方法和手段对支杆影响进行修正。     

基于非结构背景网格的动网格方法研究

借鉴弹簧动网格方法和Delaunay背景图方法,提出一种基于非结构背景网格的动网格生成方法。先用少量的物面控制点生成相对较粗的非结构背景网格,再用弹簧法将动边界的变化量作用到该背景网格,然后利用计算网格与背景网格的映射关系插值生成对应的动网格,最后对物面网格点及其附近受影响的密网格点进行局部网格修正,获得最终计算所需的动网格。所提方法与直接弹簧法比较,由于弹簧法作用的背景网格远粗于实际的计算网格,提高了计算效率,此外,由于网格的运动受控于受弹簧法作用的背景网格,边界变形或运动能较为均匀地传递到内部网格上,使网格单元过渡光滑,提高了动网格的质量。给出若干算例,展示了方法的效率和可行性。     

网格拓扑和湍流模型参数对多段翼流动的影响

计算网格和湍流模型是影响CFD结果不确定的重要因素。基于NHLP-2D高升力翼型开展了数值试验对比研究,采用多块分区方法研究了适用于二维复杂构型的网格拓扑结构和网格分布方法,并在尽量排除网格影响因素的情况下,采用均匀设计方法初步分析了SST模型参数在低速多段翼型绕流流场中的影响大小。研究成果在工程应用中具有一定的参考价值。     

新型重叠网格洞面优化方法及其应用

高度自动化的洞面优化方法是重叠网格关键技术之一。通过对割补法的分析,针对其洞面切割后洞边界位置不确定性及不可预知性问题,提出将其与物面距离优化准则相结合的新型混合洞面优化方法。该方法针对各物体间体网格,采用物面距离优化准则,将洞边界位置控制在物体中间的位置,使重叠区域更合理、可预测;针对背景网格,将其物面距离设置为较大值,采用物面距离优化准则将其落入物体网格内部的单元一并挖去;针对物面处重叠的网格,采用割补法对其进行切割和填补,保证物面及近壁面网格得以有效的重叠。该方法在保证高适用性的前提下提高了网格重叠质量,自动化程度高,无需人工干预。3个典型复杂流动算例计算结果与实验结果吻合良好,网格重叠区域流场变量传递正确,等值线过渡光滑,流场刻画准确,证明该方法准确可靠。     

一种DSMC方法的并行策略

为提高直接模拟蒙特卡罗（DSMC）仿真模拟的并行计算效率,基于消息传递接口（MPI）的并行环境,通过对比分析主从模式及对等模式两种程序设计模式下的并行效率,探讨了对等模式下非结构网格DSMC并行程序实现的关键技术及实施途径。提出了一种非结构网格下动态负载平衡DSMC仿真模拟的并行策略,设计了基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法。最后以钝锥外形的高超声速绕流问题进行仿真模拟,验证本文并行算法的有效性,结果表明,本文设计的基于对等模式动态负载平衡的DSMC并行算法能够以高效的并行效率给出合理的结果。     

Numerical simulation of viscous flows with adaptively refined Cartesian grid

Quadtree-based Cartesian grid was automatically generated from specified geometry.Adaptive refinements were performed according to geometric parameters and solution of flow field.An altered CCST (curvature corrected symmetry technique) approach was proposed to apply solid wall boundary conditions.Driven flows in a square cavity and flows around NACA0012 airfoil were simulated and compared with the result of published structured grid and stretched Cartesian grid.The results show that solid wall boundary condition are accurately applied by current altered CCST approach,while incompressible/compressible subsonic,transonic and supersonic viscous flows are adequately simulated with adaptively refined Cartesian grid.      

气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.      

基于广义Richardson外插方法的阻力预测精度分析

利用计算流体力学(CFD)方法预测阻力是飞行器气动设计中的关键环节。采用广义Richardson外插方法分别对数值方法预测二维简单构型的压差阻力、摩擦阻力和三维复杂构型的总阻力的精度进行了分析。在NACA 0012翼型无黏绕流和平板湍流边界层两个算例中验证了NSAWET程序和广义Richardson外插方法,分别得到数值算法预测压差阻力和摩擦阻力能达到的名义精度。进而模拟三维通用研究模型(CRM)翼身组合体绕流,得到的阻力名义精确值在DPW 5的统计误差带范围之内;综合DPW 5的计算结果来看,不同CFD解算器的结果之间存在一定差别,阻力预测精度总体上不符合二阶。可见,标准Richardson方法采用的二阶精度假设难以普遍适用,有必要采用广义Richardson外插方法得到名义精度。针对不合理的名义精度,采用Roache建议的方法加以限制。广义Richardson外插方法有助于提高误差分析的合理性,可以进一步降低网格对阻力预测的影响。     

双旋翼微型飞行器的非定常气动特性

发展了一种基于计算流体力学(CFD)的非定常气动特性预测方法,计算方法包括了动量源模型、预处理方法、非结构嵌套网格和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型等技术.通过计算悬停Caradonna-Tung算例和俯仰振荡NACA0012算例,验证了计算方法模拟双旋翼微型飞行器动态流场的有效性.数值模拟了双旋翼微型飞行器动态流场,给出了非定常气动系数的迟滞曲线,分析了缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速对非定常气动特性的影响.计算结果表明:力矩系数迟滞效应随缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速增大而增大,升力系数迟滞效应随缩减频率和前飞速度增大而增大,但基本不随螺旋桨转速变化而变化.      

基于非线性未知输入观测器的航天器故障诊断

针对一类满足Lipschitz条件的非线性系统,设计了一组非线性未知输入观测器,并依据故障解耦的思想,产生结构化的残差集,实现非线性系统执行器的故障隔离。研究考虑了未知扰动对非线性系统的影响,并利用Lyapunov理论证明了所设计观测器的稳定性。最后,以三轴稳定卫星的姿态控制系统为对象,仿真验证了所提方法对各种典型执行器故障诊断的有效性。