面向混合网格高精度阻力预测的熵修正方法

Roe通量差分分裂格式具有耗散小、分辨率高等特点,在亚跨超声速流场模拟中得到广泛应用,但空间离散时需要对Roe平均矩阵的特征值进行熵修正,使用熵修正会增大耗散,影响阻力的求解精度。本文针对非结构混合网格中Roe格式熵修正的特点,通过改进传统的Roe格式Harten-Yee熵修正方法,提出了一种可提高非结构混合网格黏性计算精度的Harten-Yee熵修正改进方法。利用改进后的方法,完成了DLR-F4翼身组合体算例的计算和对比分析,改进后的熵修正方法残差收敛特性与原始Harten-Yee熵修正一致,计算精度提高,计算结果和无熵修正时基本一致,说明改进后的熵修正方法既保留了使用熵修正带来的程序鲁棒性等优点,同时把熵修正对阻力预测精度的影响降到了最低,验证了方法的有效性。采用改进后方法对第3届AIAA阻力会议的计算模型DLR-F6翼身组合体进行了详细的模拟,分析了网格收敛性和雷诺数的影响。结果表明：改进的Harten-Yee熵修正,更加适用于非结构混合网格的黏性计算,计算精准度达到国际同类CFD软件水平,进一步验证了改进方法的可靠性。     

基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析

为提高直升机前飞状态下旋翼非定常气动弹性载荷的预估精度,在旋翼气动弹性综合分析方法中引入旋翼CFD模块,建立了一套基于CFD/CSD松耦合分析的计算方法和程序。为高效解决流固耦合方法中由于桨叶挥舞、扭转等弹性变形带来的旋翼贴体网格变形问题,采用基于代数变换方法的网格变形技术,桨叶运动变形量和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。旋翼流场分析方法中,主控方程采用耦合S-A湍流模型的Navier-Stokes方程,围绕旋翼流场的网格采用结构嵌套网格方法生成,无黏通量计算采用Roe格式,时间推进采用双时间法。旋翼结构分析中,考虑旋翼配平,基于Hamilton变分原理和20自由度Timoshenko梁模型求解弹性旋翼非线性运动方程。分别对CSD和CFD方法进行验证,在此基础上,计算了SA349/2旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动力、挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩,并与飞行测试数据进行了对比。计算表明:CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,精确捕捉桨叶表面压强峰值、激波位置等,表明本文发展的旋翼CFD/CSD耦合方法可以有效地运用到旋翼气动弹性载荷的预测分析中。     

用强耦合RANS方法模拟旋翼悬停流场

在旋转坐标系下,将Spalart-Allmaras(S-A)一方程湍流模型和Reynolds-averaged NavierStokes(RANS)方程耦合成一个新的RANS方程,并发展了基于多块重叠网格的强耦合RANS求解方法,用于直升机旋翼悬停流场的数值模拟.为了提高计算效率,针对多重网格方法在多块重叠网格上实施的困难,提出了一种基于重叠网格的多重网格实施方法.通过对Caradonna-Tung(C-T)和ONERA 7A旋翼悬停算例验证了发展的强耦合RANS方法和基于重叠网格的多重网格实施方法的有效性.研究结果表明:发展的基于重叠网格的多重网格方法有较高的计算效率,3层网格的加速比约为7.7;强耦合RANS法的计算精度明显高于传统的松耦合RANS方法,特别是在与阻力相关性能参数的预测中,强耦合RANS方法的预测结果更加精确.     

旋翼翼型非定常动态失速特性的CFD模拟及参数分析

构建了一套基于运动嵌套网格技术和可压缩RANS方程的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度的CFD方法。首先,发展了基于Poisson方程求解的围绕翼型的粘性贴体正交网格生成方法,并提出了基于最小距离法(MDM)改进策略的运动嵌套网格生成方法,克服了弹簧法可能导致网格畸变的不足;其次,为准确模拟由湍流分离和气流再附引起的气动力的迟滞效应,基于RANS方程、双时间方法和高阶插值格式,建立了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用能够较好捕捉气流分离现象的S-A湍流模型;再次,针对旋翼后行桨叶动态失速时桨叶剖面来流速度较低、迎角较大的特点,为解决低来流速度时L-B半经验模型在旋翼翼型非定常动态失速计算中的局限性,并克服可压缩方程对低速流场计算收敛困难和精度低的问题,建立了基于Pletcher-Chen低速预处理方法、FAS多重网格法和隐式LU-SGS方法相结合的高效数值方法。应用发展的方法,分别针对NACA0012、SC1095旋翼翼型静态和轻度、深度动态失速进行计算,精确捕捉了气动力迟滞效应以及翼型前缘脱体涡的产生、对流和脱落过程,验证了本文方法的有效性;最后,着重针对NACA0012动态失速状态,开展了振荡参数对旋翼翼型非定常动态失速特性影响的分析,研究结果表明翼型迎角平均值、振幅及减缩频率的变化均能引起迟滞效应的改变并使得气动力峰值发生有规律的前、后移现象等。     

基于混合笛卡儿网格方法的可压流动数值模拟

以可压缩黏性流动的数值模拟为研究背景,发展了一套自适应混合笛卡儿网格(AHCG)方法以及基于有限体积方法的雷诺数平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法.为更好地模拟边界层的黏性流动在近壁面处采用贴体结构网格,剩余计算区域自动生成与之相重叠的笛卡儿网格,并同时发展了基于流场特征的笛卡儿网格自适应技术.结合ADT(alternating digital tree)算法显著减少了网格生成中“挖洞”和“贡献单元”搜索的消耗机时,50万左右的网格数目下,搜索耗时为0.062s,仅为普通遍历方法的1/1847.通过二维圆柱与两段翼型绕流的数值算例显示,定常AHCG方法能够准确地预测物面压力分布与升阻力系数并且具备处理复杂外形的能力;同时通过二维非定常圆柱绕流问题与NACA0015矩形机翼翼尖尾涡的捕捉算例显示,结合了动态自适应网格加密的非定常AHCG方法尤其适用于旋涡主导流动.      

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

基于混合笛卡尔网格的翼型绕流数值模拟

在对重叠网格技术研究的基础上,一套以笛卡尔网格为主体、贴体的结构网格为特殊固壁边界的混合笛卡尔网格(Hybrid Cartesian Grid,HCG)生成方法得到了发展,同时基于流场特征的笛卡尔网格自适应技术和有限体积方法的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)的数值求解方法也得到了开发。通过对经典跨音速RAE2822翼型、双NACA0012翼型和高升力两段NLR-7301翼型进行绕流数值模拟,获得了较好的结果,验证了方法的可行性与精确性,为研究二维复杂外形流动问题提供了一种解决方法。     

带控制律导弹投放数值模拟

基于非结构重叠网格技术,耦合舵面控制律模块,采用非定常雷诺平均NS方程,建立了模拟控制律作用下导弹投放分离动态特性的CFD数值方法.非结构重叠网格生成技术以“物面相交”方法确定洞边界,在多套网格重叠部分采用算术平均进行物理量的计算传递.采用机翼/挂架/带舵外挂物模型,以及不同的舵面控制规律展开了对比计算,分析了结果.并比较了某导弹有无控制律作用时从某战斗机分离的动态特性,研究了增加控制律的必要性.     

网格变形在俯仰振荡翼型中的应用

为解决航空器结构变形问题,在研究相关非定常流场基础上,建立了包含结构变形的非定常流场数值求解方法,运用无限插值法（TFI）生成任意时刻的非定常动态网格,通过与刚性动网格比较,证明了方法的可行性,并以NACA0012翼型为算例,对翼型俯仰振荡运动中表面柔性变形问题进行了数值模拟,发现俯仰振荡中叠加变形形式为一阶振型时,可以明显地提高升力、增加动稳定、提高升阻比。     

基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法.在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值.由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易.为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证.同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟.通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好.