基于当地流活塞理论的气动弹性计算方法研究

发展了一种高效、高精度的超音速、高超音速非定常气动力计算 方法------基于定常CFD技术的当地流活塞理论. 运用当地流活塞理论计算非定常 气动力，耦合结构运动方程，实现超音速、高超音速气动弹性的时域模拟. 运用这 种方法计算了一系列非定常气动力算例和颤振算例，并和原始活塞理论、非定 常Euler方程结果作了比较. 由于局部地使用活塞理论假设，这种方法大大地克服 了原始活塞理论对飞行马赫数、翼型厚度和飞行迎角的 限制. 与非定常Euler方程方法相比，当地流活塞理论的效率很高.     

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.     

一种高效的叶轮机叶片气动阻尼计算方法

运用叠加原理, 发展了一种可以运用于小振幅运动的叶轮机叶片非定常气动力降阶模型, 并将该模型与传统的能量法相结合, 提出了一种叶轮机叶片气动阻尼的高效求解方法. 运用该方法求解叶轮机叶片的气动阻尼系数, 对某个频率、某个模态只需要进行一次非定常计算, 就可以求出所有叶间振动相角下的气动阻尼系数, 提高了气动阻尼的求解效率. 在STCF4和NASA Rotor67两个算例上运用非定常雷诺平均N-S(RANS)方程和提出的降阶模型进行了对比计算.算例表明, 在小振幅下该方法的计算结果与RANS方程计算得到的气动阻尼系数能很好地吻合, 而计算效率相比多通道非定常RANS方程计算提升了近一个数量级, 并且该方法还可以运用于有失谐情况的颤振分析, 在工程上有较高的应用价值.      

变后掠飞机在变后掠过程中的亚音速动态响应

本文提出了一套完整的变后掠飞机在变后掠过程中从气动力直至航迹计算的动态响应的数值求解方法。在气动力计算中,使用有限基本解方法分别计算了飞机在变后掠过程中的准定常气动力和非定常气动力;在推导飞行力学方程时,使用变组或结构的质点系动力学建立了一组完整的体轴系方程。本文的最大特点是采用“时间历程法”紧密地进行气动力和飞机响应量的交义求解,从而得到飞机在整个变后掠过程中的所有气动力和飞行力学参数。使用本文提出的方法,可圆满地分析和研究飞机作变后掠飞行的全过程和变后掠各因数对飞机响应量的影响。本文最后给出了算例和响应分析,这些结果,对研究变后掠飞机的飞行稳定性、机动性和低空变后掠的安全性是十分有用的。     

叶轮机中振动叶片非定常气动力的研究

采用“单一叶片振动方法”代替传统的“全部叶片振动方法”，用线性化的方法推导出计算振动叶片非定常气动力（引起叶片弯曲振动）及力矩（引起叶片扭转振动）方程。通过输入叶型及气流参数，它可以方便有效地估计出作用在振动叶片上的非定常气动力和力矩，以及振动叶片不稳定工况发生的条件和范围。并在氟里昂超音速风洞上进行了实验测量，结果表明，理论计算结果与实验测试结果符合较好。     

基于非定常N-S方程的三维机翼颤振特性研究

本研究采用N-S方程为控制方程,求解三维机翼的非定常气动力,并与颤振方程耦合迭代计算,求解机翼广义坐标响应的时间历程,根据广义坐标的时间历程的衰减、等幅和发散振荡等情况确定机翼颤振临界条件.以某导弹翼面作为算例,计算结果与实验结果和理论分析相吻合.     

应用当地流活塞理论的大攻角升力面颤振气动力表达式

本文应用当地流活塞理论,给出了弹性的夺动翼面的非定常压分分布以及用模态坐标的广义气动力系数表达式。同时提供了配套的当地流参数计算公式和采用样条函数计算广义气动力系数数值积分的表达式。     

一种基于增量径向基函数插值的流场重构方法

由于流场参数重构中, 用于重构的基网格单元的物理参数波动量相对于均值较小, 径向基函数（RBF） 直接插值方法重构会产生较大的数值振荡, 论文提出了一种增量RBF 插值方法, 并用于有限体积的流场重构步, 明显改善了插值格式的收敛性和稳定性. 算例首先通过简单的一维模型说明该方法的有效性, 当目标函数波动量相对于均值为小量时, 增量RBF 插值能够抑制数值振荡; 进一步通过二维亚音速、跨音速定常无黏算例、静止圆柱绕流非定常算例以及超音速前台阶算例来说明该方法在典型流场数值求解中的通用性和有效性. 研究表明增量RBF 重构方法可陡峭地捕捉激波间断, 可有效改善流场求解的收敛性和稳定性, 数值耗散小, 计算效率高.      

A RECONSTRUCTION METHOD FOR FINITE VOLUME FLOW FIELD SOLVING BASED ON INCREMENTAL RADIAL BASIS FUNCTIONS

由于流场参数重构中, 用于重构的基网格单元的物理参数波动量相对于均值较小, 径向基函数（RBF） 直接插值方法重构会产生较大的数值振荡, 论文提出了一种增量RBF 插值方法, 并用于有限体积的流场重构步, 明显改善了插值格式的收敛性和稳定性. 算例首先通过简单的一维模型说明该方法的有效性, 当目标函数波动量相对于均值为小量时, 增量RBF 插值能够抑制数值振荡; 进一步通过二维亚音速、跨音速定常无黏算例、静止圆柱绕流非定常算例以及超音速前台阶算例来说明该方法在典型流场数值求解中的通用性和有效性. 研究表明增量RBF 重构方法可陡峭地捕捉激波间断, 可有效改善流场求解的收敛性和稳定性, 数值耗散小, 计算效率高.     

基于非结构/混合网格模拟黏性流的高阶精度DDG/FV混合方法

间断Galerkin有限元方法(discontinuous Galerkin method, DGM) 因具有计算精度高、模板紧致、易于并行等优点, 近年来已成为非结构/混合网格上广泛研究的高阶精度数值方法. 但其计算量和内存需求量巨大, 特别是对于网格规模达到百万甚至数千万的大型三维实际复杂外形问题, 其计算量和存储量对计算资源的消耗是难以承受的. 基于“混合重构”的DG/FV 格式可以有效降低DGM 的计算量和存储量. 本文将DDG 黏性项离散方法推广应用于DG/FV 混合算法, 得到新的DDG/FV混合格式, 以进一步提高DG/FV混合算法对于黏性流动模拟的计算效率. 通过Couette流动、层流平板边界层、定常圆柱绕流, 非定常圆柱绕流和NACA0012 翼型绕流等二维黏性流算例, 优化了DDG 通量公式中的参数选择, 验证了DDG/FV 混合格式对定常和非定常黏性流模拟的精度和计算效率, 并与广泛使用的BR2-DG 格式的计算结果和效率进行对比研究. 一系列数值实验结果表明, 本文构造的DDG/FV混合格式在二维非结构/混合网格的Navier-Stokes 方程求解中, 在达到相同的数值精度阶的前提下, 相比BR2-DG格式, 对于隐式时间离散的定常问题计算效率提高了2 倍以上, 对于显式时间离散的非定常问题计算效率提高1.6 倍, 并且在一些算例中, 混合格式具有更优良的计算稳定性. DDG/FV 混合格式提升了计算效率和稳定性, 具有良好的应用前景.