应用笛卡尔非结构切割网格进行外挂物投放的数值模拟

描述了一种新的网格生成技术,即笛卡尔非结构切割网格技术,采用叉树数据结构,完成了几种单段和多段翼型以及三维机翼的网格生成.应用中心有限体积法,对其绕流问题进行Euler方程数值模拟,并将计算结果与实验数据进行对比.在机翼绕流数值模拟的基础上,求解出机翼带外挂物的分离投放的流场计算问题.     

风力机风轮振动特性研究

针对风轮的轴向窜动效应和陀螺效应振动特性,采用流固耦合分析原理进行模态数值模拟及风力机实际运行状态下的试验验证.结论发现:轴向窜动效应振动的触发源于塔架弹性,气动载荷和离心力对该类振动频率的变化基本没有影响;陀螺效应振动的触发源于同一时刻不同叶片表面气动压力的不对称,气动载荷中的周向力是导致该类振动频率发生变化的主要原因,轴向力则对其振动频率的变化没有影响,离心力对该类振动频率的变化影响不大,且近似成线性.相关研究成果,可能为很多风力机在远短于设计寿命期内频繁发生叶根损伤和断裂、变速箱齿轮严重磨损、发电机主轴变形等一些困扰学界的问题提供新的分析思路和答案.     

大展弦比气弹机翼柔性非线性变形的气动力效应分析与风洞试验

从飞行器刚弹耦合动力学模型出发，引入柔性机翼准定常假设，建立大柔性飞行器非线性静气动弹性气动力方程，利用非线性迭代求解思路模拟了柔性飞行器的静气动弹性响应行为，开展了大展弦比飞机静气动弹性风洞试验验证，采用气动力有限基本解与机翼的耦合计算，发现了大柔性飞机大变形状态下载荷及结构变形形式随风速的变化规律.传统基于小变形假设的线性分析方法和刚体分析由于无法考虑气动面随结构变形的曲面气动力因素和结构变形后的非线性刚度特性，均与风洞试验存在一定的误差.对于大展弦比柔性飞机的非线性静气动弹性分析十分必要.      

利用N-S方程模拟机翼气动弹性的一种计算方法

利用一种双时间方法求解三维非定常N-S方程,得到与任意非定常运动对应的气动力,在求解非定常气动力的同时,在时间域内用二阶龙格 库塔方法求解机翼弹性运动方程,从而模拟粘性流动中的气动弹性全过程.为保证网格生成效率,采用无限插值理论生成O-H型代数网格,考虑了机翼变形时的网格生成问题,并得到计算结果.     

子母弹多体分离过程的非定常CFD/RBD数值仿真

为研究子母弹在抛撒时的干扰流场特性,选取多舱段子母弹为计算模型,基于课题组自主开发的非结构混合网格Reynolds平均Navier-Stokes方程求解程序HUNS3D,结合非结构嵌套网格技术,耦合六自由度刚体运动学方程,使用了改进的4阶Adams预估-校正法求解六自由度刚体运动方程.利用跨声速下典型外挂物分离作为验证算例,仿真结果与实验结果高度拟合,验证了求解器的精度.对锁定母弹自由度和释放母弹的自由度两种计算状态进行数值模拟.仿真结果表明:由于激波干涉作用,子弹与母弹之间有较强的耦合作用;释放母弹自由度后,子弹的气动力参数发生了较大变化.      

用精确控制法计算复杂区域的二维电磁散射场

描述二维电磁场的Ｍａｘｗｅｌｌ方程（ＴＭ模态）可转化为等价的波动方程采用精确控制法计算该波动方程的时间周期角，数值模拟了包括外挂、鼓包以及舱体干扰的复杂气动外形电磁散射场，并计算给出了对应的雷达散射截面（ＲＣＳ）。由于采用了非结构的三角形网格，特别适合计算复杂的实用气动外形。     

流体通过涡激振动机翼的声辐射研究

为了有效地降低涡激噪声,研究了粘性流体通过涡激振动机翼的声辐射。采用Navier-Stokes方程描述二维机翼的流固耦合运动,用弹簧系统代替实际固体变形产生的回复力和力矩,翼型的运动是两个自由度,即垂直于来流的振荡和转动振荡;为了模拟涡激振动,机翼的初始攻角取得比较大,以便产生周期性的旋涡脱落及周期性的流体动力,后者与弹簧系统相耦合,引起振动,用Lighthill声比拟方法研究了由此引起的声辐射。计算结果表明:当涡脱频率和机翼的固有的振动频率一致时,发生锁定的现象,此时的声辐射达到最大。     

基于CFD/CSD的舵面控制气动弹性数值模拟方法

在动态网格上通过耦合求解流动控制方程和结构动力学方程, 发展了一种舵面控制下飞行器运动响应过程中气动弹性数值模拟研究方法.流动控制方程采用N-S方程, 结构动力学采用线性模态叠加方法, 其中流动控制方程空间离散采用基于非结构网格的有限体积方法, 对流通量采用计算HLLC格式, 非定常时间离散采用基于LU-SGS的双时间步长方法.模拟中, 气动运动和结构变形在双时间步长方法推进过程中采用改进松耦合方法, 气动网格与结构网格之间信息交换采用无限平板样条法实现, 飞行器的运动和变形采用基于重叠网格和Delaunay图映射变形网格相结合的方法进行处理.采用多个考核算例对发展的数值方法进行考核验证, 结果表明该方法可以高效精确模拟舵面开环控制下飞行器运动响应过程中的气动弹性特性.      

基于大涡模拟下风力机翼型非定常转捩流动的动态模态分解分析

翼型绕翼流动对风力机整机性能产生重要影响.本文基于大涡模拟方法,得到风力机翼型非定常转捩流动.通过对压力流场的动态模态分解(DMD)分析,发现翼型层流分离泡的生成和发展为流动主要非定常特征,且该特征具有主要频率.预估得到高增长率T-S扰动波频率与DMD模态频率接近,发现高频变化的分离泡由边界层分离点下游不远处的T-S扰动波诱导K-H不稳定性而主导,以及中低频的DMD模态表现为T-S扰动波所引起的湍流结构.对比不同攻角下的DMD分解结果,发现上表面分离泡会逐渐向前移动,长度变短;而下表面分离泡略微后移,长度变化不大.     

压电材料双曲壳热弹耦合作用下的混沌运动

运用弹性力学有限变形基本理论推导出了压电材料双曲壳在外激力和温度场作用下的非线性振动方程和协调方程.通过Bubnov-Galerkin原理,得到该结构的非线性动力学方程.利用Melnikov方法,得到系统产生Smale马蹄变换意义下混沌的条件,用四阶Runge-Kutta法编写程序对系统进行数值求解,并绘制出相应的分岔图、Lyapunov指数图、相轨迹图以及Poincaré截面图,分析了温度场对压电材料双曲壳系统的非线性特性的影响.仿真结果表明,随着温度的升高,系统的混沌与周期区交替出现,温度场的改变可影响和控制系统的振动特性.     

Numerical Study of Two-Winged Insect Hovering Flight

The two-winged insect hovering flight is investigated numerically using the lattice Boltzmann method (LBM). A virtual model of two elliptic foils with flapping motion is used to study the aerodynamic performance of the insect hovering flight with and without the effect of ground surface. Systematic studies have been carried out by changing some parameters of the wing kinematics, including the stroke amplitude, attack angle, and the Reynolds number for the insect hovering flight without ground effect, as well as the distance between the flapping foils and the ground surface when the ground effect is considered. The influence of the wing kinematic parameters and the effect of the ground surface on the unsteady forces and vortical structures are analyzed. The unsteady forces acting on the flapping foils are verified to be closely associated with the time evolution of the vortex structures, foil translational and rotational accelerations, and interaction between the flapping foils and the existed vortical flow. Typical unsteady mechanisms of lift production are identified by examining the vortical structures around the flapping foils. The results obtained in this study provide some physical insight into the understanding of the aerodynamics and flow structures for the insect hovering flight.     

A fluid–structure interaction model of insect flight with flexible wings

We present a fluid–structure interactions (FSI) model of insect flapping flight with flexible wings. This FSI-based model is established by loosely coupling a finite element method (FEM)-based computational structural dynamic (CSD) model and a computational fluid dynamic (CFD)-based insect dynamic flight simulator. The CSD model is developed specifically for insect flapping flight, which is capable to model thin shell structures of insect flexible wings by taking into account the distribution and anisotropy in both wing morphology involving veins, membranes, fibers and density, and in wing material properties of Young’s modulus and Poisson’s ratios. The insect dynamic flight simulator that is based on a multi-block, overset grid, fortified Navier–Stokes solver is capable to integrate modeling of realistic wing-body morphology, realistic flapping-wing and body kinematics, and unsteady aerodynamics in flapping-wing flights. Validation of the FSI-based aerodynamics and structural dynamics in flexible wings is achieved through a set of benchmark tests and comparisons with measurements, which contain a heaving spanwise flexible wing, a heaving chordwise-flexible wing with a rigid teardrop element, and a realistic hawkmoth wing rotating in air. A FSI analysis of hawkmoth hovering with flapping flexible wings is then carried out and discussed with a specific focus on the in-flight deformation of the hawkmoth wings and hovering aerodynamic performances with the flexible and rigid wings. Our results demonstrate the feasibility of the present FSI model in accurately modeling and quantitatively evaluating flexible-wing aerodynamics of insect flapping flight in terms of the aerodynamic forces, the power consumption and the efficiency.     

Integrated modeling of insect flight: From morphology,kinematics to aerodynamics

An integrated and rigorous model for the simulation of insect flapping flight is addressed. The method is very versatile, easily integrating the modeling of realistic wing–body morphology, realistic flapping-wing and body kinematics, and unsteady aerodynamics in insect flight. A morphological model is built based on an effective differential geometric method for reconstructing geometry of and a specific grid generator for the wings and body; and a kinematic model is constructed capable to mimic the realistic wing–body kinematics of flapping flight. A fortified FVM-based NS solver for dynamically moving multi-blocked, overset-grid systems is developed and verified to be self-consistent by a variety of benchmark tests; and evaluation of flapping energetics is established on inertial and aerodynamic forces, torques and powers. Validation of this integrated insect dynamic flight simulator is achieved by comparisons of aerodynamic force-production with measurements in terms of the time-varying and mean lift and drag forces. Results for three typical insect hovering flights (hawkmoth, honeybee and fruitfly) over a wide rang of Reynolds numbers from O(10²) to O(10⁴) demonstrate its feasibility in accurately modeling and quantitatively evaluating the unsteady aerodynamic mechanisms in insect flapping flight.     

飞行器低Reynolds数层流分离理论探讨

低Reynolds数流动由于自身特点导致气动特性严重恶化,非定常、非线性效应突出且预测困难,加之相关基础理论研究不足,给以临近空间低速飞行器和高性能微小型飞行器为代表的低Reynolds数飞行器的开发和研制带来了瓶颈和挑战.首先概述了飞行器低Reynolds数的范畴、低Reynolds数空气动力学的主要问题与挑战.随后从低Reynolds数层流分离基础理论出发,依次介绍了低Reynolds数层流分离经典理论、低Reynolds数层流分离非定常流动特性、低Reynolds数后缘层流分离泡.在此基础上,通过对经典长层流分离泡与后缘层流分离泡力学特性的差异以及随攻角和Reynolds数的演化规律的详细分析,逐步揭示了一些低Reynolds数复杂气动效应的本质,如小攻角升力系数的非线性效应,翼型随Reynolds数下降气动特性的二次恶化效应等.最后对低Reynolds数流动基础理论的发展过程进行了总结,并对层流分离诱导转捩及再附效应等复杂流动问题进行了展望.      

折叠翼面展开过程中气动载荷特性数值模拟

针对某飞行器翼面高速展开过程,采用定常和非定常数值模拟两种不同方法,进行折叠翼面展开过程气动载荷分析研究,其中定常方法主要研究翼面从折叠到展开过程中不同展开角下外翼面的气动特性,分析展开角、来流参数对外翼面气动力的影响;非定常方法主要模拟折叠翼面展开角速度变化,从而获得典型工况下翼面展开过程的载荷情况,分析非定常效应对气动载荷的影响.研究发现,当翼面展开速度与来流速度相近时,则非定常效应不可忽略而必须采用非定常模拟方法.      

超高速高空低动压柔性罩体脱落天地相关性研究

柔性罩体包裹于飞行器外表面,在飞行中段起到保护作用.再入过程中在气动力/热共同作用下,从飞行器表面拉开、脱落,脱落过程产生的附加干扰力/力矩,对飞行器再入姿态产生影响,造成惯性落点偏差.采用地面风洞模拟超高速高空低动压环境,考核不同再入动压条件下,罩体连接绳在气动力作用下的脱开过程,以及脱落过程对飞行器产生的干扰力/力矩.根据动态相似准则,将地面试验条件下罩体模型的脱落历程推导到飞行条件,建立刚体动力学仿真模型计算落点,与无干扰模型的理论落点对比,采用概率统计的方法分析罩体脱落引起的飞行器落点偏差,为罩体连接形式的优化设计提供支撑.      

双三角翼非定常俯仰运动实验与数值模拟

文章针对双三角翼大振幅正弦俯仰运动过程中的非定常载荷和流动特性开展了实验与数值模拟研究，并与相同主翼后掠角的单三角翼进行了对比.实验研究在低速回流式水槽中开展，所采用的实验模型为边条后掠角为75°，主翼后掠角为50°的双三角翼全模，俯仰运动的旋转轴位于主翼弦长的2/3处，振幅为0~60°，运动的缩减频率k=0.03，0.06，0.12，0.24，0.48.实验Reynolds数以主翼弦长为参考Re=1.69×104.在水槽的测力实验中，发现非定常流动力的迟滞现象，并且随着非定常运动缩减频率的增大，流动的迟滞效应也随之增大.与相同主翼后掠角的单三角翼相比，双三角翼的迟滞环在低缩减频率下更小，但随着缩减频率的增大，这种差距逐渐减小.在数值模拟研究中，采用DDES湍流模型对俯仰双三角翼的流场进行了数值模拟.流场结果表明，在较低的缩减频率下，主翼吸力面的前缘涡是影响气动力的主要因素，非定常流动力的迟滞效应主要与前缘涡在上仰过程中的延迟破裂和下俯过程中的延迟恢复有关；在较高的缩减频率下，机翼前缘涡对气动力的影响减小，由机翼俯仰角速度而产生的环量力成为了气动力的主导因素，因此在较高缩减频率下，单三角翼与双三角翼的升力特性趋于一致.      

基于分解策略的飞行器气动隐身优化设计研究

为了综合提高飞行器的气动性能与隐身性能,文章利用基于分解策略的梯度优化方法,对某跨声速机翼进行气动隐身综合优化设计.采用Tchebycheff方法,将气动隐身多学科多目标优化问题分解为多个单目标优化子问题,再对每个单目标子问题进行梯度优化.通过求解离散伴随方程获得气动目标对设计变量的梯度,采用自动微分方法对物理光学法（physical optics,PO）程序进行微分,即可得到雷达散射截面（radar cross section,RCS）对设计变量的梯度.经过综合优化,获得优化解集中各给定权重系数对应下的分支解,相比初始机翼,优化机翼的阻力系数减小,升阻比提高,重点方位的雷达散射截面均值减小,验证了该优化设计方法具有较好的实用性.      

低雷诺数反齐默曼机翼的气动特性

通过PISO方法求解非定常不可压N-S方程,研究小展弦比反齐默曼机翼在低雷诺数下的流场特征,并分析其对气动特性的影响.结果显示前缘分离涡在反齐默曼机翼上表面形成一对集中涡.分析表明这对集中涡是影响反齐默曼机翼气动特性的主要因素,给机翼提供了较大的非线性升力和较大的失速攻角,前缘涡之间的相互影响使得机翼出现非定常现象和大攻角的非对称现象.与矩形翼相比,反齐默曼机翼有较好的稳定性.     

导弹超声速尾退分离干扰特性试验

超/高超声速尾退分离在防热、保形、隐身、多次投放、回收等方面具有明显优势,有望成为高超声速飞行器载荷投放的优选方案。由此面临一类新的多体分离问题:超/高超声速尾退分离问题（aft super/hypersonic ejection separation,ASES）。超/高超声速尾退分离问题本质上是带空腔底部流动与多体分离构成的耦合问题,具有流场结构复杂、气动非定常非线性非对称效应显著的特点。针对超声速尾退分离问题,采用网格测力和轨迹捕获（captive trajectory system,CTS）风洞试验方法探索了尾退分离干扰流场的结构,发现可根据流场结构和舵效变化分为低速-亚声速无激波、高亚声速-跨声速弱激波、超声速激波和准自由流弱干扰4种典型干扰特征,揭示了尾流场影响后不同区域的全弹气动特性和舵效特性以及控制律、攻角、高度和Mach数对分离位移和姿态的影响规律。相关结论将有助于增强对尾退分离问题的认识,对尾退分离技术的工程实践具有参考价值。