NeoCASS: An integrated tool for structural sizing, aeroelastic analysis and MDO at conceptual design level

This paper presents a design framework called NeoCASS (Next generation Conceptual Aero-Structural Sizing Suite), developed at the Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano in the frame of SimSAC (Simulating Aircraft Stability And Control Characteristics for Use in Conceptual Design) project, funded by EU in the context of 6th Framework Program. It enables the creation of efficient low-order, medium fidelity models particularly suitable for structural sizing, aeroelastic analysis and optimization at the conceptual design level.The whole methodology is based on the integration of geometry construction, aerodynamic and structural analysis codes that combine depictive, computational, analytical, and semi-empirical methods, validated in an aircraft design environment.The work here presented aims at including the airframe and its effect from the very beginning of the conceptual design. This aspect is usually not considered in this early phase. In most cases, very simplified formulas and datasheets are adopted, which implies a low level of detail and a poor accuracy. Through NeoCASS, a preliminar distribution of stiffness and inertias can be determined, given the initial layout. The adoption of empirical formulas is reduced to the minimum in favor of simple numerical methods. This allows to consider the aeroelastic behavior and performances, as well, improving the accuracy of the design tools during the iterative steps and lowering the development costs and reducing the time to market.The result achieved is a design tool based on computational methods for the aero-structural analysis and Multi-Disciplinary Optimization (MDO) of aircraft layouts at the conceptual design stage. A complete case study regarding the TransoniCRuiser aircraft, including validation of the results obtained using industrial standard tools like MSC/NASTRAN and a CFD (Computational Fluid Dynamics) code, is reported. As it will be shown, it is possible to improve the degree of fidelity of the conceptual design process by including tailored numerical tools, overcoming the lacks of statistical methods. The result is a method minimally dependent on datasheets, featuring a good compromise between accuracy and costs.     

航空等离子体动力学与技术的发展

自20世纪60年代以来,美国、俄罗斯等发达国家开始研究等离子体的性能.近年来,以美国为首的西方国家在航空等离子体动力学与技术的研究取得了突破性的进展,国内相关研究也取得了一些进展和自主创新.本文主要介绍了空军工程大学等离子体动力学重点实验室的等离子体流动控制技术研究成果,主要包括改善飞行器气动性能和推进效能、等离子体冲...     

高马赫数下激波湍流边界层干扰数值研究

应用GAO—YONG可压缩湍流方程组数值模拟了入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰现象,计算了来流马赫数为5．0,激波入射角度分别为15．876°、23．287°两种不同激波干扰强度下的流场。计算程序中的对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge—Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算较好地模拟了高马赫数下的激波／湍流边界层干扰的流场结构,位移边界层厚度,动量损失厚度等,也比较准确地预测了平板壁面压力、摩阻系数等气动力参数的分布。     

缝隙-腔体密封结构在高速气流冲击下的整体流动、传热特性分析

 根据高马赫数流场特征参数变化快、固态场特征参数变化慢的特性,编制开发了针对高速气流的"半解耦"显式流固耦合近似计算程序,并通过数值方法分析了该方法的计算误差,分析结果显示其能够较准确地模拟高速流场与固态场长时间非稳态耦合问题.在此基础上,运用"半解耦"流固耦合方法数值模拟了高速气流横掠缝隙-腔体典型密封结构的非稳态过程,并与相关实验测试数据进行了对比,验证了程序可靠性.随后,进一步分析了气流侵入密封结构的主要特性,总结了密封结构内、外流场中气流温度、压力和速度的分布特征以及其随时间的变化规律,研究了密封结构中加热板气动热流随时间的变化规律,探讨了密封结构中固体温度场分布特征及其随时间积累的变化规律等.最终,计算结果说明了密封体的结构布局对其内部热状况的决定性影响.     

高效气动优化设计方法

基于CFD方法开展气动外形优化设计通常计算量较大,采用离散共轭方法计算目标函数梯度,建立了高效的飞机气动优化设计系统。采用NURBS方法对翼剖面几何外形的扰动量进行参数化,避免了对原始外形的拟合,建立了基于NURBS方法的机翼剖面参数化方法。在复杂外形的优化设计中,动网格方法是关键技术之一,采用无限插值方法生成变形后的网格,并提出采用无限插值方法处理部件之间相贯线发生变化的情况。最后开展了翼身组合体+吊舱+挂架等复杂外形的优化设计,成功地减小了阻力,证明了方法的有效性。     

中-大迎角下圆锥前体流场的等离子体控制

在圆锥一圆柱组合体圆锥段的尖端区域布置一对单个介质阻挡放电激励器（SDBD）,通过风洞实验对圆锥前体分离涡流场的等离子体控制特性进行了研究。实验风速5m／s,迎角为25°和30°,采用表面压力测量技术,并通过对压力的积分得到侧向力系数。实验结果表明：通过控制激励器的开、关可以改变圆锥两侧压力分布不对称的模式,从而使得侧向力的大小和方向发生改变。研究表明：等离子体激励器可以对非双稳态下的圆锥前体分离涡流场进行有效的控制。     

非定常欠膨胀射流的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对非定常欠膨胀射流进行了数值模拟,将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,对欠膨胀射流问题进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉到包括激波、滑移线、涡环和多级马赫盘等复杂流场结构,与实验照片反映的流动特征吻合较好。此外,两个马赫盘的位置与其他数值结果和实验测量结果吻合很好,表明该方法具有很好的鲁棒性,对非定常欠膨胀燃气射流的数值模拟是有效的。     

离心式血液泵内非牛顿流体水力特性研究

在旋转式血液泵的研发中习惯于把血液当作牛顿流体来处理,而血液本质上是非牛顿流体.本文实验测量了0.6‰、1‰、2‰浓度的黄原胶溶液在一种离心式血泵模型内的水力特性,发现在高浓度低转速时,在相同流量下黄原胶溶液的扬程低于(或接近于)水的相应扬程,而在高转速时一定浓度的黄原胶溶液的扬程会高于水的相应扬程,最高可有7%的差值;黄原胶溶液不遵守牛顿流体相似律,一定浓度的黄原胶溶液当其雷诺数高于某一临界值后,在无量纲扬程一流量图中数据点会落在同一条曲线上,称非牛顿流体相似曲线;在高转速大流量时,非牛顿流体相似曲线位于牛顿流体相似曲线上方.     

高速气流吹袭防护气动特性的数值模拟

应用CFD方法研究了配备高速气流吹袭防护装置的人椅系统的气动特性。空间离散采用Osher逆风格式,紊流模型采用基于Spalart—Allmaras一方程的DES方法,在马赫数为0．6和1．2;迎角-10～30°;侧滑角为0°和15°范围内的粘性大分离流;以及来流马赫数为0．8和1．6;迎角5～30°;侧滑角为0,-20和-50°条件下,对有无防护装置的人椅系统气动特性进行了数值模拟。计算结果与试验结果吻合较好,高速气流吹袭防护装置在高速弹射过程中有效地保护了人体。     

轴流状态下涵道螺旋桨增升方法的数值模拟

为了进一步提高涵道螺旋桨的功率载荷,提出了一种将螺旋桨部分桨尖嵌入到涵道体内壁面以改善涵道内部的滑流边界和唇口扰流的增升方法。采用计算流体力学(Computational fluid dynamic, CFD)方法,对其轴流状态的流场流态及气动力特性进行了计算和分析,并与相同直径的孤立螺旋桨及涵道螺旋桨在相同工况下的气动力进行了对比分析。