涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

十字伞伞群的多节点静力学模型动力特性计算

为计算某型救灾专用空投系统十字伞伞群的气动特性,建立了多节点静力学模型来计算伞衣充满时的气动外形;对不同臂长比和伞绳比的十字伞进行数值模拟,并与文献中风洞实验结果对比验证;根据建立的模型得到十字伞伞群的气动外形并进行气动力特性研究.结果表明:计算结果和文献结果一致性较好,建立的多节点静力学模型合理可行;十字伞轴向力随臂长比和伞绳比的增大而增大;随攻角增大轴向力先减小后增大,而法向力则增大.建立的模型可用于伞群的气动外形计算,并为降落伞系统的设计提供参考.      

过渡状态倾转旋翼气动力模拟的高效CFD方法

为显著减少倾转旋翼过渡飞行时气动力CFD模拟的计算代价,提出并建立了适合倾转旋翼过渡状态气动特性分析的高效混合CFD方法。首先,提出了适合于过渡状态模拟的嵌套网格系统,并发展了相应的挖洞和贡献单元搜寻方法。在此基础上,结合叶素理论和动量理论建立了旋翼气动力模拟的简化虚拟桨盘模拟方法(Virtual rotor model,VBM)。为了能够分析倾转旋翼气动力的细节特性,多层运动嵌套网格系统和单指令多数据流(Single program multiple data,SPMD)并行技术被引入来建立精确的旋翼模拟方法(Real blade model,RBM)。然后,通过将VBM和RBM方法结合,构建了适合倾转旋翼过渡状态气动特性分析的高效(Hybrid blade model,HBM)方法。最后,通过对有试验值对比的悬停状态典型旋翼和7A旋翼分别验证了VBM和RBM方法的有效性。分别采用3种方法预测了过渡状态不同倾转角下旋翼的气动特性,VBM表现出最优的计算效率,能用于倾转旋翼总体气动性能的分析。HBM方法在保证流场求解精度的基础上,相对于高精度的RBM方法节省了1/3的计算时间。     

旋翼跨音速非定常黏性绕流的高效CFD模拟方法

为提高旋翼跨音速黏性绕流CFD模拟的效率,建立了一套基于隐式LU-SGS算法和OpenMP并行策略的旋翼非定常流场高效数值求解方法。首先,基于二维剖面翼型的Poisson方程求解和网格插值、翻折方法生成绕桨叶的O-C-O型贴体正交网格,并采用高效的"扰动衍射"(Disturbance diffraction method,DDM)挖洞方法、并行化″Inverse map″(IM)的贡献单元搜索方法,构建了旋翼运动嵌套网格系统。在此基础上,以耦合S-A湍流模型的非定常RANS方程为主控方程,对流通量采用高精度的Roe-MUSCL格式进行离散,时间推进采用隐式LU-SGS双时间方法,同时采用OpenMP并行策略加速旋翼流场求解。最后,运用所建立的方法分别对悬停ONERA 7A旋翼、前飞Caradonna-Tung(C-T)旋翼无升力状态及SA349/2旋翼有升力状态的气动特性及涡尾迹特征进行了模拟,通过与试验值对比验证了文中方法在旋翼非定常流场CFD模拟中的有效性和高效性。     

Aerodynamic design of tractor propeller for high-performance distributed electric propulsion aircraft

Aiming to maximize the aerodynamic performance of the Distributed Electric Propulsion (DEP) aircraft, a hybrid design framework which focuses on the aerodynamic performance of the propeller/wing integration has been developed and validated numerically. Variable-fidelity modelling for propeller aerodynamics has been used to achieve computational efficiency with reasonable accuracy. By optimizing the aerodynamic loading distributions on the tractor propeller disk, the induced slipstream is redistributed into a form that is beneficial for the wing downstream, based on which the propeller blade geometry is generated through a rapid inversed design procedure. As compared with the Minimum Induced Loss (MIL) propeller at a specified thrust level, significant improvements of both the lift-to-drag ratio of the wing and the propeller/wing integrated aerodynamic efficiency is achieved, which shows great promise to deliver aerodynamic benefits for the wing within the propeller slipstream without any additional devices.     

吸气式高超声速飞行器多参数灵敏度分析

为实现吸气式高超声速飞行器多参数情况下的灵敏度分析及参数分类,降低设计的复杂度,在吸气式高超声速飞行器参数化建模的基础上,首先采用正交试验设计生成样本,再通过计算流体力学(CFD)进行高精度气动力性能计算,最后运用方差分析法进行气动性能的参数灵敏度分析,在运用较少的试验样本点的情况下,即可完成多参数、复杂构型条件下气动性能的参数灵敏度分析。结果表明,该方法可以正确地分析出参数对飞行器气动性能的敏感程度,得到参数对气动性能的影响规律。同时,通过灵敏度分析的计算样本,还可以初步选出气动性能较优的飞行器构型,为地面试验和优化设计提供参考。     

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

伞衣透气性对翼伞气动特性的影响

为了提高翼伞的飞行性能,需要研究伞衣织物透气性对翼伞气动特性的影响。使用不可压雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程模拟伞衣外部流场,建立了包含附加动量源项的多孔介质域控制方程模拟伞衣,对2种透气性材料模型和无透气性影响传统模型的气动特性和流场分布进行了二维和三维定常数值模拟。数值结果表明,求解多孔介质域控制方程可以得到较准确的伞衣透气速度,伞衣表面的湍流度急剧增加;使用较大透气量材料制作伞衣时,升力系数大幅下降,阻力系数大幅上升,同时会造成内腔泄压影响翼伞的外形保持;使用微透气量材料制作伞衣时,升力系数在小迎角时小于不透气模型,在大迎角时大于不透气模型,较小的透气速度能在大迎角时延缓边界层分离。     

基于小波尺度函数的WSK-SV算法 及其气动性能预测

提出了一种将小波的尺度函数与SV(support vector)算法相结合的WSK-SV(wavelet scaling kernel-support vector)新算法,并将Daubechies小波以及Shannon小波的尺度函数分别构成尺度核函数,而且分别作为SV算法中一个可容许的支持向量核函数使用.该算法充分利用了Daubechies小波函数的紧支集与正交等特点以及小波的MRA(multi-resolution analysis,多分辨分析),并注意了尺度核函数能够满足Mercer条件.该算法除了具有通常SVM(support vector machine)所具有的优点外,还具有很好的收敛性以及泛化能力,能够有效地提高学习与预测效率.典型算例选取了不同的小波尺度函数,数值计算表明:在一维、二维和三维问题中,这些小波的尺度函数均可以用于WSK-SV算法,进而显示了这个新算法的可行性与通用性.      

低雷诺数小型折叠无人机翼型优化设计

实现了一种可用于低雷诺数小型折叠无人机翼型优化设计的方法。采用Ferguson曲线对翼型进行参数化描述,并引入折叠状态下截面的几何关系作为附加约束,使用遗传算法和序列二次规划相结合作为寻优算法,对翼型升阻比和折叠空间允许的最大弦长进行优化。在isight平台上集成xFoil和matlab实现了这一优化流程。实例表明了方法的有效性,优化结果可以作为此类无人机翼型设计的参考。