柱塞泵多目标优化设计及CFD仿真分析

液压泵噪声是液压系统的主要噪声源,针对轴向柱塞泵的流致振动噪声,提出一种改善泵配流特性的设计方案。首先,根据柱塞泵的工作原理对柱塞腔压力特性和泵出口流量特性准确建模并求解。通过分析压力冲击和流量脉动对错配角（φ₀）的响应,得φ₀=4°为佳。利用一种多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）,以减小压力超调量和流量脉动率为目标,对三角槽结构进行了优化;并获得该多目标优化问题的Pareto最优解集,通过对最优解集的分析知,深度角θ₁=16°且宽度角θ₂=85°时较为理想。最后,为了验证模型的正确性,建立流体域计算流体动力学（CFD）模型,对比两种模型计算结果发现吻合较好,能够相互验证。利用CFD分析结果可视化的特点,从柱塞泵流场的角度,进一步分析了泵压力冲击以及流量脉动产生的原因。     

正方形排列四圆柱体绕流特性及互扰效应研究

基于计算流体动力学理论,运用大涡模拟方法对雷诺数Re=3900三维正方形排列四圆柱体结构群的绕流问题进行数值计算,主要分析来流攻角与间距比两个参数对四圆柱体结构群流体参数及流场模态的影响。结果表明:来流攻角与间距比均对四圆柱体结构群绕流特性有较强的影响;来流攻角θ=0°、22.5°、45°下,临界间距比分别为3.5、4.0、3.0;间距比的变化会导致下游圆柱表面压力系数分布发生改变;另一方面,间距比较小时,四圆柱体结构之间的互扰作用均以临近效应为主;随间距比增大,上游圆柱尾流对下游圆柱有显著影响,其互扰作用会转变尾激效应。     

不同攻角下2:1矩形截面棱柱绕流的大涡模拟研究

本文研究了高雷诺数下(Re=24000),宽高比为2:1的矩形截面棱柱在不同风攻角下的绕流问题.基于大涡模拟理论和Smagorinsky亚格子应力模型,运用开源CFD软件OpenFOAM对Navier-Stokes控制方程进行求解,对均匀来流作用下的矩形截面棱柱绕流问题进行了三维数值模拟.通过对平均分量、脉动分量的比较,验证了数值模拟结果的准确性与可靠性,并给出了阻力系数、升力系数、斯特罗哈数随攻角的变化规律以及平均流场和湍流流场的流场特征.基于本文研究结果,通过开源CFD可视化软件ParaView给出了不同攻角下的流型变化,结合平均压力系数的分布,详细解释了不同流型的特征,这些结果验证了基于风洞实验所提出的假设流型,相关结论可为结构风工程设计提供参考依据.本文所采用的软件均为开源软件,其开源特性具有良好的科研价值.     

射流对空腔噪声抑制效果研究

高速空腔流动的流场结构非常复杂,在一定条件下存在严重的压力、速度等脉动,诱发强烈的噪声,声压级可达到170dB,对腔内的导弹及其自身结构安全构成很大的威胁。应用基于两方程剪切应力(SST)的尺度自适应(SAS)分离流模型的CFD技术和气动声学频域理论(FW-H积分方程),模拟了射流对二维M219空腔(长深比L/D=5)内气动噪声变化情况,研究了空腔流动特性、流场结构及发声机理。在此基础上,首先对比分析了不同射流位置对空腔噪声的抑制情况,以此确定一个工程上可实现的射流位置;然后,对比分析了不同射流状态(不同的射流流量、温度)对空腔噪声的抑制情况。由此可知,跨音速(Ma=0.85)条件下,采用不同的射流状态对空腔噪声具有不同的抑制效果,其中随着射流量及射流温度的增大,噪声抑制效果更加明显。     

来流脉动对自激振荡脉冲流的影响

基于瞬变流和流体网络理论建立了由往复柱塞泵,管路和自激振荡呀嘴组成的装置系统的数学模型,分析了泵源脉动对自激振荡脉冲射流振荡特性的影响,表明当来流脉动频率小于或等于嘴嘴装置的固有频率时,能提高射流的振荡,冲蚀效果,理论分析与实验结果吻合,其结论对合理设计自激振荡射流喷嘴有一定的指导意义。     

多目标优化算法在弹头侵彻明胶运动模拟中的应用

为使弹道模型更好地模拟弹头侵彻明胶的运动规律,从而有助于揭示弹头对人体组织的致伤机理,以弹头水平位移、竖直位移、侧向位移、俯仰角以及偏航角理论值的均方根误差作为目标函数组,以弹头的待定初始运动参数和弹道模型的待定力学系数作为优化变量,通过Gamultiobj多目标遗传算法获得了的优化变量的Pareto解集,并通过TOPSIS综合分析方法获得了Pareto解集的最优解。研究结果表明该方法能够快速获得可信性较强的最优解,使最优解能较好地模拟7.62 mm步枪弹侵彻明胶的运动过程。     

初始驱动角对半主动拍动翼能量获取的影响

运用浸入边界法研究初始驱动角θ0对半主动拍动翼能量获取性能的影响。半主动拍动翼的运动包括外部力主动驱动的正弦式摆动θ(t)和流体动力被动驱动的垂直运动h(t)。以雷诺数Re=1000下的二维NACA0015翼型为研究对象,数值计算了摆动角振幅θmax=75°和摆动衰减频率f*=0.16下初始驱动角对半主动拍动翼能量获取性能的影响。首先将初始驱动角θ0=0°时不同网格划分下的升力系数演化与已有文献结果进行了对比,得到二者结果相吻合,验证了数值算法的有效性。然后研究了不同的初始驱动角θ0对能量获取性能的影响,研究发现:θ0≤30°时的升力值远小于θ0≥45°的值,θ0≤30°时拍动翼向下运动,而θ0≥45°时升力值快速增大,拍动翼向下做微小运动后快速反弹向上运动;还发现相对于θ0=0°时的能量获取效率为31.22%,在θ075°范围内增大初始驱动角无益于提高能量获取效率,但是在θ0=75°时得到的能量获取效率高达39.21%;同时结果还显示θ0=60°时对净功率的输出最有利。     

湍流边界层流场与噪声实验研究

在重力式水洞中进行了水翼及半翼湍流边界层流场与噪声的实验研究。测量了水翼及半翼边界层附近的湍流脉动速度场;测量了半翼翼型表面三点处的压力脉动及其辐射噪声,测量了水翼内部测点的噪声及外部辐射噪声,在不同流速、不同攻角、光滑和粗糙翼面的情况下都进行了测量分析。试验结果发现,上述因素对模型的边界层湍流速度场有显著影响,15度攻角时,翼面附近湍流强度要比0度时大得多,粗糙翼面附近的湍流强度比光滑的大,而湍流强度随来流速度的变化不大,u(来流）方向和v方向的湍流强度量级相当;一般地,翼面压力脉动、翼内部噪声及外部噪声都是随来流速度的增大而增大,随攻角的增大而增大,粗糙翼面时的结果要比光滑翼面的大。从压力脉动与噪声测量结果与相应的流场测量结果比较可知,可以从湍流区域的湍流强度来判断出声源强度的定性变化。     

激波/湍流边界层干扰压力脉动特性数值研究

激波/湍流边界层干扰问题广泛存在于高速飞行器内外流动中, 激波干扰会导致局部流场出现强压力脉动, 严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 为了考察干扰区内脉动压力的统计特性, 对来流马赫数2.25, 激波角33.2°的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了直接数值模拟研究. 在对计算结果进行细致验证的基础上, 分析比较了干扰区外层和物面脉动压力的典型统计特征, 如脉动强度、功率谱密度、两点相关和时空关联特性等, 着重探讨了两者的差异及其原因. 研究发现, 激波干扰对外层和物面压力脉动的影响差异显著. 分离区内脉动以低频特征为主, 随后再附区外层压力脉动的峰值频率往高频区偏移, 而物面压力脉动的低频能量仍相对较高. 两点相关结果表明, 外层和物面脉动压力的展向关联性均明显强于其流向, 前者积分尺度过激波急剧增长随后缓慢衰减, 而后者积分尺度整体上呈现逐步增大趋势. 此外, 时空关联分析结果指出, 脉动压力关联系数等值线仍符合经典的椭圆形分布, 干扰区下游压力脉动对流速度将减小, 外层对流速度仍明显高于物面.      

载人空投着陆冲击下不同乘员姿态的损伤影响

针对某军用车辆在1 m高度进行无缓冲平台空投实验,并建立座椅与乘员的模拟模型。利用实验获取的座椅安装点冲击信号作为模拟模型的输入数据,并通过实验结果与模拟结果的对比验证了该模型的可靠性。借鉴航空工程相关研究,提出了一种将各关键损伤指标加以归一化的权重评价指标—加权损伤准则(weighted injury criteria,WIC)。研究了乘员仰卧角度和大小腿夹角两个姿态参数对乘员损伤的影响,并以WIC为优化目标,利用遗传算法完成参数优化工作。研究发现:对乘员小腿运动进行约束能降低乘员整体损伤响应,乘员对抗着陆冲击的最佳姿态为仰卧角47°～56°、大小腿夹角62°～68°。     

钝头机体用嵌入式大气数据传感系统的解算精度研究

针对一种钝头机体用嵌入式大气数据传感(flush air data sensing,FADS)系统的实施方案及求解精度展开研究.基于15°钝头体外形,在马赫数Ma=2.04,3.02,5.01,攻角α介于-5°和25°之间,不考虑侧滑角的情况下,采用势流理论及修正的牛顿流理论建立了该FADS系统的气动模型.首先利用经典的三点式算法建立了攻角的求解方案,并采用最小二乘曲线拟合的方法对误差进行了修正;随后建立相应的迭代衰减算法解算静压及动压,最后根据压力比与马赫数的关系求解马赫数.对解算的数据与实际飞行参数进行了比较,结果表明,建立的钝头机体用FADS系统的模型及算法精度较好,攻角绝对误差小于0.1°,静压相对误差小于5%,马赫数绝对误差小于0.01.     

复杂外形飞行器压力分布CFD数值模拟与试验结果比较

为观察粘性效应对物面压力分布的影响,并验证 CFD 数值模拟方法的计算结果,设计了翼-身-舵组合体模型,利用航天空气动力技术研究院的FD-20炮风洞,在马赫数Ma分别取6、8且攻角α分别取0o、10o、20o的条件下进行了风洞测压试验,同时用Euler方程和N-S方程计算了模型的表面压力并与试验结果进行了比较。结果表明：除少数测点外,弹身、弹翼、舵面及弹身-弹翼干扰区的 Euler方程和 N-S方程计算结果都比较一致,除了攻角α=20°时的弹翼外,计算结果都与试验结果吻合较好。攻角α=20°的极小展弦比三角弹翼,由于侧前缘脱涡等分离现象的存在,实验值普遍高于计算值10%～15%,但变化趋势一致。因此,在采用CFD数值模拟与工程计算相结合的方法进行气动加热或非定常气动力的计算中,采用Euler方程代替N-S方程求解边界层外缘参数和当地流参数是合理的。     

不同雷诺数下二维椭圆柱绕流的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent对不同雷诺数(Re=100,3900,3.5×10~6)下二维椭圆柱绕流进行了数值模拟研究,分析了不同轴长比(2b/2a=cosθ,θ=0°,15°,30°,45°,60°)下椭圆柱绕流的特性。通过对比尾部涡流情况、升力系数C_L、阻力系数C_D以及斯特劳哈尔数St初步发现:由于椭圆形截面偏流线型的特点,在三种雷诺数下随着θ的增大椭圆柱绕流尾涡强度减小,流场的变化使圆柱表面的压力系数减小,最终导致圆柱的升力系数幅值与阻力系数均值减小。而斯特劳哈尔数St在三种雷诺数下的变化不同,随着θ的增大,层流雷诺数(Re=100)下St值减小;亚临界雷诺数(Re=3900)下St值在45°处轻微上扬,在60°处明显减小;超临界雷诺数(Re=3.5×10~6)下St值增大。     

鹿角骨单位仿生薄壁管斜向冲击耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性和吸能性，基于鹿角骨单位结构特征，结合结构仿生学原理设计出内径相同、外径等梯度逐层递减的仿生薄壁管。采用有限元法对75种仿生薄壁管结构进行10°、20°、30°等3种斜向冲击角度的吸能特性模拟；通过多项式回归元模型和多目标粒子群优化算法进行优化，以Pareto前沿最优原则得到各目标最优化的配置方案；采用最小距离选择法进行优化分析，得到各配置方案的最优结构设计参数。结果表明:仅考虑单一冲击角度时，在10°、20°、30°冲击角度下的仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.84 mm-0.38 mm、2.89 mm-0.29 mm、2.91 mm-0.34 mm；综合考虑多种冲击角度权重因数不同配置方案时，仿生薄壁管耐撞性最优的仿生层数n均为6，最大壁厚与厚度梯度值参数组合t_max-a分别为2.95 mm-0.28 mm、2.92 mm-0.30 mm、2.85 mm-0.33 mm。     

开缝对风力机翼型空气动力学特性的影响

以S809翼型为研究对象,用CFD数值模拟计算的方法研究了在失速条件下,风力机翼型上下表面同时开缝的被动控制策略对翼型空气动力学特性的影响。采用基于速度耦合的SIMPLEC算法进行数值模拟,将四种常用的湍流模型(Spalart-Allmaras、k-e、k-w、k-w-SST)在12°和24°攻角下的计算结果和实验数据对比,得出了最优于翼型计算的湍流模型为k-w-SST。分析了缝隙位置、宽度和斜率对翼型气动性能的影响。结果表明:当开缝位置位于分离点附近时,翼型气动性能最优;当缝隙宽度为弦长的2%时,翼型气动性能最优;当缝隙和弦线的夹角为75°时,翼型气动性能最优,且在攻角超过24°时开缝对翼型的气动性能有不利影响。     

基于转捩/尺度适应模型与FW-H声学方程的气动噪声数值模拟研究

采用计算流体力学(CFD)同"声类比"相结合的方法进行噪声模拟,利用CFD数值模拟 MD30P30N多段翼型失速攻角附近流场以及其气动特性来校核近场精度,进一步通过结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声分析。为了准确捕捉近场流场信息,为噪声预测提供可靠的声源精度,本文基于k-ω剪应力输运(SST)湍流模型,建立了尺度适应分离流(SAS)模型,并采用γ-Re_θt转捩模型耦合k-ω SST湍流模型建立了边界层转捩数值模拟技术;充分利用尺度适应模型在边界层表现为雷诺平均(RANS)方法这一特点,将γ-Re_θt转捩模型与SAS模型结合,建立针对包含转捩、分离现象复杂流场的数值模拟技术。文中以RANS为控制方程,分别采用全湍流k-ω SST模型、γ-Re_θtSAS转捩/分离流模型对多段翼进行近场数值模拟计算,结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声预测,在分析其对流场及气动噪声影响的基础上,得出了几点结论。     

基于D-P准则的压力相关材料结构拓扑优化

基于描述材料力学行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则, 研究了压力相关材料连续体结构拓扑优化设计问题的数学模型和数值算法. 以单元材料人工密度为设计变量, 结合SIMP惩罚模型和多孔微结构局部应力插值模型, 建立了以材料体积最小化为目标、考虑材料D-P屈服条件约束的优化问题数学模型. 利用\varepsilon-松弛方法消除奇异解现象, 采用伴随法有效推导约束函数灵敏度计算公式, 运用基于梯度的连续变量优化算法迭代求解优化问题. 数值算例验证了优化模型的正确性及数值算法的有效性, 并通过与von Mises应力约束优化结果的比较, 说明了材料的压力相关特性会对结构最优拓扑产生重要影响. 该方法设计出的最优拓扑由于充分利用了压力相关材料的抗压能力, 因而更为合理和实际.      

高升阻比乘波构型优化设计

在M∞ =6, 30km高空条件下，以升阻比为目标函数，进行了锥形流乘波体的黏性优化设计，讨论 了影响乘波体升阻比的因素，并对优化结果进行了数值验证. 结果表明：对于升阻比最大的 黏性优化乘波体，存在最优圆锥角使得源自该基本流场的乘波体升阻比最大；摩阻和波阻处 于同一量级；体积率、细长比和展长比都随着基本流场圆锥角的增大而增大.     

基于MRF模型的旋翼桨叶气动特性分析与试验

多旋翼飞行器主要由旋翼桨叶为其提供拉力。在旋翼桨叶设计阶段,能准确地预测出桨叶的效率、拉力、功率和扭矩等性能参数是十分必要的。本文采用基于MRF模型的CFD数值分析,对直径为735mm、梢部桨叶角为7°、根部桨距角为22°的木质旋翼桨叶进行气动特性分析。在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段测量了风速为零时该旋翼桨叶的气动性能数据,包括:拉力、扭矩、功率、拉力功率比。试验结果与基于MRF模型的数值模拟方法结果有较好的一致性,证明了本文采用基于MRF模型的CFD数值模拟方法研究桨叶气动特性的正确性和实用性。     

菱形颗粒冲蚀磨损特性试验及仿真研究

本文中针对单个硬质角形颗粒冲击金属材料表面的过程,设计了弹射试验装置,研究菱形颗粒冲击行为及冲蚀机理.采用高速摄像机,捕捉不同冲击速度v_i、冲击角度α_i和方位角度θ_i下颗粒的运动轨迹.建立了基于拉格朗日法的FEM-SPH耦合数值计算模型,借助于模型进一步分析了角形颗粒的运动学行为和变形凹坑形态.结果表明:冲击角α和方位角θ是决定颗粒旋转的关键因素,在某一固定冲击角αi下存在一个临界方位角θcr_i,当θiθ_(cri)时颗粒冲击后发生前旋旋转,当θ_iθ_(cri)时颗粒冲击后发生后旋旋转;冲击诱导的颗粒旋转对冲蚀机理的影响较大,颗粒前旋旋转对金属材料产生"耕犁"作用,后旋旋转对金属材料产生"撬起剔除"作用.颗粒的动能损失受到冲击角α_i和方位角θ_i的影响较大,临界方位角θ_(cri)下颗粒的动能损失最大,凹坑变形最严重.