DLR-F4翼身组合体流场数值模拟

为了研究阻力计算精度并考察网格和湍流模型对翼身组合体构型气动特性的影响,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras和Baldwin-Lomax湍流模型,数值模拟DLR-F4翼身组合体流场.使用"超立方体"概念构建绕DLR-F4翼身组合体的高质量多块结构拼接网格,通过网格细分来研究网格密度对计算结果的影响.结果表明:湍流模型和网格密度对升力影响较小,对阻力影响较大,网格密度对压力系数分布影响甚微;适当地缩小第一层网格到物面的距离,增加物面法向网格点数能改善阻力计算精度.     

降低气动舵操纵耦合的高超声速飞行器总体优化研究

针对高超声速飞行器严重耦合特性给控制系统设计带来的问题,从简化控制系统设计的角度出发对飞行器总体提出通道间耦合小的优化设计要求。以气动舵控制的翼身组合体外形高超声速飞行器为研究对象,引入操纵耦合力矩影响作用的度量-操纵耦合度定义;结合工程估算与CFD计算方法建立操纵耦合度与飞行器总体外形参数的表征关系;采用多目标粒子群算法,求解以总体外形参数为决策变量,以各通道操纵耦合度最小为目标函数的优化问题,从而确定可降低气动舵操纵耦合的高超飞行器总体随控优化策略。算例分析表明,提出的高超声速飞行器总体随控优化方法可有效改善气动舵控制高超飞行器的操纵耦合特性,对控制系统设计具有重要意义。     

一种基于径向基函数的非结构混合网格变形技术

网格变形技术被广泛运用于气动外形优化设计或气动弹性力学仿真之中。非结构混合网格由于拓扑结构比较复杂,其网格变形的难度较大。本章发展了一套基于径向基函数的非结构混合网格变形技术。其基本原理是运用径向基函数对物面边界网格节点的位移进行插值,然后利用构造出来的径向基函数插值序列将物面的位移效应光滑地分散到整个网格区域的节点上。为了提高网格变形效率,需要在物面位移的径向基函数插值过程中进行数据精简,为此,文中提出了一种基于贪心法逐级选择径向基函数空间子集来实现插值逼近的数据精简算法。选择NACA0012翼型和三维LANN机翼的非结构混合网格的典型变形问题作为数值算例,对该方法的实用性进行了验证。计算结果表明该方法具备较高的计算效率,对大尺度变形问题的适应性很好,变形后计算网格的质量仍然可以得到有效地保证。     

复杂构型高精度静气动弹性分析方法及其应用研究

为了准确地预测增升装置的气动弹性变形,基于Navier-Stokes方程求解器和结构静力学方程,建立了一种静气动弹性分析方法。发展了一种全局/局部混合的数据交换方式,解决了复杂构型数据交换过程中相邻部件间数据干扰的问题。同时,建立了变形能力强、引入并行算法的基于RBF插值技术的动网格方法,很好地保证了复杂构型网格的变形能力。此外,为了提高静气弹分析效率,所建立方法根据收敛特点引入了加速收敛技术。通过F6翼身组合体和某大型客机着陆构型,验证文中发展的静气动弹性分析方法的可行性和鲁棒性。分析结果表明,弹性变形最终导致大型客机着陆构型8°迎角状态时的升力系数减小约1.0%。     

跨音速小扰动方法在飞机复杂组合体计算上的应用

一个局部区域的柱坐标网格嵌入一个总体笛卡坐标系网格中,此两网格系统在一个公共区中互相复盖,一个网格系统在此相互复盖的公共区中的速势值作为另一网格系统计算时的边值条件。对于机翼机身发动机吊舱和挂架飞机组合体,发动机吊舱和挂架的物面边界条件在柱坐标系中表达而机翼机身物面边界条件则在笛卡坐标中表达。机翼机身计算的位流方程的假设前提是所有扰动速度相对于远前方未扰动速度为高阶小量,而模拟发动机吊舱的小扰动方程则允许可与自由流相比拟的纵向扰动速度。与方程相一致的质量流边界条件改进了解的准确性和数值计算的收敛和稳定。发动机喷流在本文中得到模拟。算例为M_∞=0.3和0.75下的近代客机,计算结果与实验进行了比较,可见本方法能十分成功地预示飞机复杂组合体流场的基本特征。     

基于变弹翼方式的非结构动网格建模方法研究

针对变弹翼导弹包含运动边界的复杂非定常流场的求解问题,基于弹簧变形原理,即在网格变形时,网格点与静止边界和运动边界的相对位置关系均保持不变,分别推导了旋转弹翼运动边界上的网格点和受运动边界扰动流场子域上网格点的变形算法,从而发展了一种新的非结构动网格方法,该方法在不降低计算效率的前提下,大大提高了网格的变形能力,并解决了现有研究通常忽略弹翼运动受弹身影响而产生的非刚性变形问题,是基于非结构网格框架下,求解具有复杂运动边界且网格变形较大的非定常流场的一种简单有效的方法。     

基于变形网格技术的翼型结冰数值模拟研究

翼型结冰的过程实质上是其外形随时间改变的过程。对于结冰的数值模拟,计算网格必须随着翼型外形的改变而相应的变化。文章利用非定常N-S方程模拟翼型结冰增长的过程,使用基于无限插值法(TFI)的变形网格技术生成非定常计算的网格。变形网格技术是在初始网格的基础上将物面的变化通过插值均匀分布到场内网格点,该方法能够最大限度地保留初始网格特征,而且生成过程与初始网格不相关。非定常计算利用上一次结冰的流场为初值,而不用从初场重新开始,而且变形网格技术生成网格也远远比求解椭圆型方程快,总的计算时间大幅减少。为了验证方法的有效性,文章对NACA0012进行了结冰数值模拟,计算结果与参考文献的实验和计算结果吻合。     

考虑声爆特性的超声速客机气动优化设计

提高巡航气动效率和降低声爆强度是超声速客机设计的关键。首先建立了基于RANS方程的近场CFD预测和基于波形参数法的远场预测相结合的高精度声爆评估方法,然后采用有限差分法求解声爆目标对设计变量的梯度,与由离散伴随方程法求解的气动目标函数的梯度进行组装,作为权重目标值的梯度,并耦合自由型面变形参数化技术、基于逆距离权重插值算法的网格变形技术和序列二次规划算法,搭建了考虑声爆特性的气动优化系统。对超声速公务机翼身组合体构型先后进行了考虑声爆的机头偏转气动优化设计和机翼精细化气动减阻优化设计,优化目标分别为声爆值和阻力系数的权重之和、超声速巡航点阻力系数。结果表明,优化后机头下偏削弱了头部向下传播的激波强度,从而减小了远场声爆最大过压值;机翼精细化设计后阻力减幅达9.5%,载荷内移,外翼段压差阻力减小,同时压力分布形态表现出逆压梯度减弱、压力恢复更加平缓的特征。气动声爆综合特性明显优于初始构型,验证了优化系统的有效性。     

飞翼无人机嗡鸣气动弹性响应分析

提出一种嗡鸣响应分析的CFD/CSD耦合方法,并采用气动结构松耦合技术研究了无尾飞翼无人机的方向舵嗡鸣响应及其引起的副翼、升降舵及襟翼的振动时域响应特性。首先建立较为详细的无尾飞翼无人机结构模型和气动模型,基于雷诺平均的N-S方程建立流体控制方程和结构动力学方程的耦合求解技术;气动与结构耦合交界面精确匹配,并选取三维插值技术进行耦合界面结构变形位移与气动力载荷数据的传递;基于LU-SGS子迭代的时间推进技术和HLLEW的空间离散方法进行气动载荷的计算,湍流模型采用SST湍流模型;其中气动动网格变形技术采用非结构动网格,动网格更新技术采用弹簧近似光滑和局部网格重构组合方法。首先进行飞翼无人机气动弹性响应特性分析,验证松耦合技术的合理性并为方向舵偏转引起的嗡鸣响应分析提供参考;其次在方向舵嗡鸣响应分析时在方向舵转轴端部设置方向舵偏转运动的约束,基于提出的气动结构松耦合方法计算无尾飞翼无人机方向舵偏转引起的方向舵嗡鸣和全机的方向舵、副翼、升降舵及襟翼振动的时域响应;并研究了旋转角频率和飞行高度参数变化对飞翼无人机全机振动响应的影响。研究结果表明旋转角频率对方向舵的偏转响应和副翼、升降舵及襟翼的振动响应频率影响较大;而飞行高度对嗡鸣气弹响应频率并没有影响;且方向舵是振动位移和结构变形的危险区域,研究方法及内容可为飞翼无人机工程振动分析提供参考。     

飞行器圆柱类部件的气动外形参数化方法

通过增加坐标转换步骤和虚拟框策略,得到适用于圆柱形物体的cylindrical free-form deformation(CYFFD)参数化方法,既可用于轴对称物体,也可以用于非轴对称物体。CYFFD可捕捉圆柱类物体独特的周向和径向变形特点,并能够保证框边界处曲面的导数和曲率连续。首先,通过使用坐标转换方法可在圆柱坐标系下实现沿周向和径向的变形。其次,由于圆柱形物体的精细外形设计需要,需要布置为首尾相连的贴近物面的控制框,这种布置形式会导致在圆柱周向出现框的边界与曲面的相交,难以保持曲面在控制框边界处的导数连续性,因此引入虚拟框方法并选取一些控制点作为虚拟的控制框点,从而保持导数和曲率连续。使用圆柱外形示例对比了CYFFD和传统方法的变形能力、框边界处的曲率连续特性。机身头部参数化示例表明CYFFD可以和传统FFD协同使用从而实现复杂的变形目的。短舱变形示例和外形拟合示例表明CYFFD可以用于复杂非轴对称圆柱曲面。圆柱头部优化算例表明CYFFD用于优化设计能够得到良好的优化结果,将之用于圆柱类外形的参数化和优化设计中具有实用价值。