飞行器纵向俯仰气动特性计算研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了巡航导弹外形飞行器作小振幅俯仰运动时的动态绕流流场和空气动力特性,开展了导弹绕不同转轴、以不同频率和在不同迎角范围内进行俯仰运动的非定常气动力迟滞特性研究。计算结果表明,当导弹作快速俯仰运动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性。导弹的非定常气动力迟滞特性随俯仰运动频率的增大明显增强,且气动力迟滞曲线随着俯仰轴位置的变化而变化。在同一减缩频率下,导弹在不同迎角范围内作周期俯仰运动时,相同的运动相位角所对应的升力系数对迎角的导数是一致的,而不同减缩频率下升力系数对迎角的导数随运动相位角变化曲线明显不同。     

双三角翼拉升流场特性数值模拟研究

发展了适用于双三角翼大攻角非定常分离流场模拟的数值方法,开展双三角翼拉升运动的动态流场特性研究。通过减缩频率、转轴位置和起始攻角的变化,仔细分析了这些运动参数对动态流场施加影响的物理机制,有利于提高对双三角翼在拉升条件下的非定常特性和流场滞后效应等非线性现象的认识。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

智能物面对非定常分离流的最优自适应控制

以低雷诺数二维大攻角翼型绕流为研究对象, 将非定常动边界计算流体力学方法与 最优控制方法有机结合, 研究二维不可压非定常流智能物面最优自适应流 动控制的理论与算法, 并将其用于固定攻角和俯仰振荡翼型绕流. 结果表明: 在给定合适的最优控制目标函数下, 智能物面可最优地实时改变形状, 得到能显著提高翼型性能的最优翼型. 最优翼型在非设计工况下的气动性能也比对照翼型有 所提高.     

翼型、机翼非定常运动模式下动态数值模拟

基于RANS方程,通过刚性动网格技术实现对翼型和机翼典型运动模式的描述,采用双时间推进方法和Roe空间离散格式对流场求解,构建了一个非定常气动计算平台;以NACA0012翼型为算倒进行了动态数值模拟可信度验证。数值模拟结果与试验数据吻合较好,升力和俯仰力矩的最大计算误差分别为3％和10％,表明了该平台的可靠性。另外,还数值模拟了M6机翼的动态非定常流场,并分析了两种湍流模型对非定常流场激波的捕捉能力。结果表明非定常流动中S-A湍流模型对激波的捕捉较B-L模型更敏感。文中开发的非定常计算平台对进一步解决三维复杂流场的流动问题有很高的工程应用价值。     

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.      

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点,通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法,提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构.采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制,分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理.结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降,同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力,优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定,而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.     

导弹纵向俯仰气动特性数值分析

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了某型巡航导弹的静、动态绕流流场和空气动力特性.湍流模型应用修正后的B-L代数湍流模型.以细长旋成体绕流流场为例进行数值计算,并和实验数据相比较,验证了本文方法的可靠性,在此基础上,开展了某型巡航导弹绕不同转轴和以不同频率进行俯仰振动的非定常气动力迟滞特性研究.计算结果表明,当导弹作快速俯仰振动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性.并且,导弹的非定常气动力迟滞特性随振动频率的增大变化明显,且气动力迟滞曲线随着振动轴位置的变化而变化.     

无网格法在三维复杂超音速流场模拟中的应用研究

对最小二乘无网格方法在含复杂外形三维超音速流场中的应用进行了研究.选用分解法求解采用最小二乘法得到的对称方程组,针对最小二乘无网格方法的计算特点生成近似正交均匀分布的离散点,对B1AC2R常规导弹超音速流场采用最小二乘无网格方法进行了无粘数值模拟,计算了B1AC2R常规导弹在不同攻角下的轴向力、法向力及俯仰力矩系数,并将数值结果与实验结果进行了比较.结果表明,最小二乘无网格方法在求解含复杂外形超音速流场时具有较高的准确度,将其应用于三维含复杂外形超音速流场的模拟是完全可行的.     

开式转子噪声数值模拟与试验研究

为了研究开式转子在低速起飞工况下的噪声特性,运用计算流体力学(CFD)和计算气动声学(CAA)相结合的方法,对开式转子的离散噪声做了数值模拟。采用非线性谐波法(NLH)对开式转子的非定常流场进行计算,非定常分量和叶面定常载荷一同构建类比声源,最后使用FW-H积分法进行远场噪声辐射计算,获取远场多点的噪声频谱结果。搭建了开式转子试验台,使用0°～90°远场指向性阵列测试了指向角区间内的噪声特性结果,并与数值模拟结果进行对比。研究结果表明：干涉噪声是开式转子的主要噪声;关键频率处的数值模拟结果与试验结果趋势基本一致,误差在3 dB以内;所建立的非线性谐波法频域内展开求解非定常扰动量的气动噪声数值模拟方法,可以为开式转子噪声的快速准确预测提供一定的帮助。     

高阶谐波平衡方法中非物理解来源分析及改进方法研究

对于周期性非定常问题,高阶谐波平衡（High-order Harmonic Balance, HOHB）方法将非定常方程的解用Fourier 级数展开至一定阶次,从而消除其中的时间导数项,大大降低了计算消耗. 本文以达芬振子方程为例,探讨了HOHB 方法中非物理解的来源,分析结果表明:非物理解出现的原因是在推导过程中非线性项的简化处理导致方程左右两边并不严格相等. 根据非线性项的特点,在其处理过程中扩充子时间层上的时域解,并将非线性项中出现的更高阶谐波截断,使方程左右两边严格相等. 通过对达芬振子方程进行数值模拟发现:改进方法在消除非物理解的同时,也显著减少了计算所需谐波数. 对比参考文献发现,同阶改进方法的精度和原始谐波平衡方法基本相当,证明了本方法的可行性. 最后将本方法应用于具有立方刚度非线性的气动弹性系统中,验证本方法的工程适用性. 但是,当方程中非线性项较多时,本方法所需要的计算消耗会有所增加.      

Unsteady rotor flow analysis using a diagonally implicit harmonic balance method and an overset mesh topology

The diagonally implicit harmonic balance method is developed in an overset mesh topology and applied to unsteady rotor flows analysis. Its efficiency is by reducing the complexity of a fully implicit harmonic balance method which becomes more flexible in handling the higher harmonics of the flow solutions. Applied to the overset mesh topology, the efficiency of the method becomes greater by reducing the number of solution interpolations required during the entire solution procedure as the method reduces the unsteady computation into periodic steady state. To verify the accuracy and efficiency of the method, both hovering and unsteady forward flight of Caradonna and Tung and AH-1G rotors are solved. Compared with wind-tunnel experiments, the numerical results demonstrate good agreements at computational cost an order of magnitude more efficient than the conventional time-accurate computation method. The proposed method has great potential in other engineering applications, including flapping wing vehicles, turbo-machinery, wind-turbines, etc.     

Cascade aerodynamic gust response including steady loading effects

To predict the unsteady convected gust aerodynamic response of a cascade comprised of arbitrary thick and cambered aerofoils in an incompressible, inviscid, flow field, a complete first-order model is formulated. The flow is analysed by considering a periodic flow channel. The velocity potential is separated into steady and unsteady harmonic components, each described by a Laplace equation. The strong dependence of the unsteady aerodynamics on the steady effects of aerofoil and cascade geometry and incidence angle is manifested in the coupling of the unsteady and steady flow fields through the unsteady boundary conditions. Analytical solutions in individual grid elements of a body-fitted computational grid are then determined, with the complete solution obtained by assembly of these local solutions. The validity and capabilities of this model and solution technique are then demonstrated by analysing the steady and unsteady aerodynamics of both theoretical and experimental cascade configurations.     

Prediction of oscillating thick cambered aerofoil aerodynamics by a locally analytic method

A complete first-order model and locally analytic solution method are developed to analyse the effects of mean flow incidence and aerofoil camber and thickness on the incompressible aerodynamics of an oscillating aerofoil. This method incorporates analytic solutions, with the discrete algebraic equations which represent the differential flow field equations obtained from analytic solutions in individual grid elements. The velocity potential is separated into steady and unsteady harmonic parts, with the unsteady potential further decomposed into circulatory and non-circulatory components. These velocity potentials are individually described by Laplace equations. The steady velocity potential is independent of the unsteady flow field. However, the unsteady flow is coupled to the steady flow field through the boundary conditions on the oscillating aerofoil. A body-fitted computational grid is then utilized. Solutions for both the steady and the coupled unsteady flow fields are obtained by a locally analytic numerical method in which locally analytic solutions in individual grid elements are determined. The complete flow field solution is obtained by assembling these locally analytic solutions. This model and solution method are shown to accurately predict the Theodorsen oscillating flat plate classical solution. Locally analytic solutions for a series of Joukowski aerofoils demonstrate the strong coupling between the aerofoil unsteady and steady flow fields, i.e. the strong dependence of the oscillating aerofoil aerodynamics on the steady flow effects of mean flow incidence angle and aerofoil camber and thickness.     

Time discretization methods in the computation of unsteady flow

对于不同非定常流动问题, 采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率. 本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后, 对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后, 对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

REDUCED-ORDER MODELS OF UNSTEADY TRANSONIC VISCOUS FLOWS IN TURBOMACHINERY

The proper orthogonal decomposition (POD) technique is applied in the frequency domain to obtain a reduced-order model of the unsteady flow in a transonic turbomachinery cascade of oscillating blades. The flow is described by a inviscid—viscous model, i.e. a full potential equation outer flow model and an integral equation boundary layer model. The nonlinear transonic steady flow is computed first and then the unsteady flow is determined by a small perturbation linearization about the nonlinear steady solution. Solutions are determined for a full range of frequencies and validated. The full model results and the POD method are used to construct a reduced-order model in the frequency domain. A cascade of airfoils forming the Tenth Standard Configuration is investigated to show that the reduced-order model with only 15–75 degrees of freedom accurately predicts the unsteady response of the full system with approximately 15 000 degrees of freedom.     

基于边界元方法的气动弹性降阶模型及仿真

传统气动弹性的时域计算耗费了大量时间,为了提高计算效率,本文发展了基于边界元方法的降阶模型技术。首先基于边界元方法建立非定常流场的求解模型,结合特征值分析技术建立了非定常气动力的低阶模型;然后,利用边界元方法建立了气动网格和结构网格之间的信息转换矩阵;最后将非定常气动力降阶模型和结构动力学方程联合,建立了气动弹性系统的低阶状态空间模型。将所发展的降阶模型方法应用于NACA0012翼型的非定常气动力求解中,结果表明降阶模型可以在保证原系统计算精度的同时提高了计算效率;将降阶模型技术应用到三维机翼的气动弹性响应计算中,在系统阶数仅为12阶的情况下可以得到与原系统一致的极限环响应,说明降阶模型技术在求解气动弹性问题中的巨大优势。     

AN APPROXIMATE MODEL OF UNSTEADY AERODYNAMICS FOR HYPERSONIC PROBLEMS AT HIGH ALTITUDE

针对高空高马赫数飞行环境和强黏性干扰的物理特性, 在当地流活塞理论的基础上引入有效外形修正, 发展了黏性修正当地流活塞理论, 结合定常N-S方程解给出了高空高马赫数下针对该方法的有效外形的判据, 并通过数值算例对该判据进行了验证.通过对典型尖头薄翼和典型钝头翼的一系列二维非定常算例, 将该方法与一阶活塞理论、基于欧拉(Euler)方程的当地流活塞理论和非定常N-S方程数值解进行了对比. 结果显示在高度为40~70 km、马赫数为10~20范围内, 通过该方法计算得到的非定常气动力与非定常N-S方程数值解吻合较好, 明显优于活塞理论和基于Euler方程的当地流活塞理论.该方法克服了传统的活塞理论和当地流活塞理论不能用于高空高马赫数这类强黏性效应情况的弊端, 在较宽的马赫数、攻角、飞行高度范围内都有良好的适用性, 同时其计算效率远高于非定常N-S方程.