基于RBF插值技术的CFD/CSD非线性耦合分析方法研究

基于非结构混合网格的N-S方程求解器和结构柔度影响系数法,发展了一种考虑气动、结构非线性的基于RBF插值技术CFD/CSD耦合分析方法,适用于解决现代大展弦比飞机的非线性静气动弹性问题。该方法采用时间相关法（即求解非定常方程组,用长时间的渐近解趋于定常状态）求解静气弹分析时的定常流动。考虑大展弦比飞机结构变形问题为大变形小应力问题,在利用柔度系数法求解结构方程时,假设每次求解结构方程时应力与应变为线性关系,整体静气弹分析过程为非线性关系,因此每次求解结构方程时要更新柔度影响系数矩阵。在非定常N-S方程每求解一个时间步耦合一次结构有限元分析,由于结构有限元分析的时间相对于气动分析时间是很短的,所以这种方法实际上近似使用了一次求解非定常气动力的时间完成了整个静气动弹性分析的过程。对于气动网格与结构有限元网格不一致性,本文采用径向基函数（RBF）插值方法中的TPS方法进行结构弹性变形和气动载荷插值,采用虚功原理完成气动载荷数据交换。为了节省气弹分析时间,采用动网格方法对气动网格进行更新,本文基于RBF插值方法发展一种适用于混合网格（四面体、三棱柱、金字塔和六面体）变形的动网格方法,可以保证附面层网格的质量与分布从而准确模拟其流动。利用该方法对M6机翼、DLR-F6翼身组合体和某大型客机机翼进行了静气动弹性特性分析,结果验证了本文开发的非线性CFD/CSD耦合分析方法的可行性、精确性和高效性。     

静气动弹性计算方法研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6,α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外,对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.      

西南某大型水电站拱肩槽边坡开挖的变形响应研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解 器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6, α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模 拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度 矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外, 对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明 物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效 率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.     

大展弦比无人机的静气弹问题计算及分析

普遍采用大展弦比机翼的无人机,其气动弹件的问题显得尤为突出.本文主要研究基于非结构弹性网格体系的欧拉方程CFD计算及其在大展弦比无人机静气动弹性问题中的应用.针对三维非结构运动网格技术进行了研究和开发,在此基础上,利用计算流体力学的方法,发展了一套具有一定通用性的、适用于非结构网格的Euler方程流场求解器,并综合上面的技术,进一步通过耦合结构力学方程,对大展弦比无人机的静气动弹性问题进行了,计算和分析.     

基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用,对飞行器的性能和安全具有显著的影响.在现代飞行器设计阶段,计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段.然而,基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长,难以满足设计阶段的需求.因此,为了兼顾计算精度与效率,文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法,替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法,建立了高效、准确的静气动弹性分析框架.相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法,该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷.针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明:由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内;同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内,静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.     

一种几何大变形下的非线性气动弹性求解方法

非线性气动弹性的时域求解中, 涉及到非线性的流体动力学(CFD)和非线性的结构动力学(CSD)耦合问题. 基于Co-rotational理论, 推导了三维壳单元几何非线性下的切线刚阵和内力公式, 针对推进过程中的能量守恒, 引入预估-校正推进格式, 发展了一种近似能量守恒的非线性动态响应算法; 基于1/2时间步的交错耦合格式, 结合带有几何守恒律的双时间推进求解雷诺平均N-S方程的求解器, 发展了非线性气动弹性求解的高精度耦合格式. 通过结构几何大变形下的静力和动力分析验证了所发展的结构非线性求解器, 并通过AGARD445.6机翼的非线性气动弹性响应分析, 说明了所发展耦合求解方法的实用性.      

计算气动弹性力学中的界面映射方法研究

非线性气动弹性体振动研究中,涉及到非线性的结构动力学和非线性的流体动力学耦合问题,在耦合边界上要满足两个系统的连续性相容条件,必须在边界处进行数据的交换。本文针对非线性气动弹性问题的计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法,在常体积转换法(CVT)的基础上,发展了一种耦合界面的数据映射矩阵(IMM)。该方法仅需要局部的网格信息,将耦合边界上载荷信息和位移信息的转换放在同一个映射矩阵中来处理,并且该矩阵可以通用求解CFD/CSD的耦合问题,克服了占用大量CPU时间和内存的弊端。最后将该界面映射方法应用于柔性大展弦比机翼的气动弹性计算和AGARD445.6机翼的颤振预测中,结果表明该方法能够高效、高精度地处理不同网格体系间的数据交换,并具有处理复杂非规则几何体信息转换的能力。     

基于气动力降阶模型的跨音速气动弹性稳定性分析

基于离散型输入输出差分模型,运用非定常CFD方法训练信号,然后运用最小二乘方法进行参数辨识,得到降阶的非定常气动力模型,再将该离散差分模型转换为连续时间域内的状态方程。耦合气动状态方程和结构状态方程,得到耦合系统的气动弹性状态方程。求解不同动压下状态矩阵的特征值,根据根轨迹图分析系统的稳定性特性。分析结果与直接耦合CFD/CSD方法结果相吻合,可以计算跨音速非线性气动弹性问题。其计算效率比直接耦合CFD/CSD方法提高1~2个数量级。针对Isogai wing在跨音速出现的S型颤振边界进行了较为细致的分析,阐述了该现象是由于系统诱发颤振的分支随着速度(来流动压)的提高而发生转移所导致的。     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合，计算机翼静气动弹性变形；通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度，建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼，分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响，属于经典弯扭颤振；在几何非线性的影响下，机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小，颤振速度随迎角增大而减小．     

考虑流固耦合效应的某飞行器力学性能分析

考虑流固耦合效应,研究了飞行器在服役状态下的力学特性。本文采用了一种基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structure Dynamics)耦合的高精度通用静气弹求解器,该求解器可以同时分析飞行器结构的表面气动性能和结构的力学性能,对某一翼身组合体模型进行了静气弹分析,得出弹性飞行器和刚性飞行器的气动压力变化以及结构的应力分布。建模时流体和结构模型都使用翼身组合模型,且都考虑机身的影响。结果表明:发生静气弹变形后,飞行器的升力系数、阻力系数、力矩系数都相应下降;机翼翼根附近会产生较大的应力分布;当飞行器尤其是机翼表面受到弯矩、扭矩以及气动压力的共同作用时,翼根附近会出现复杂的应力分布状态。这说明在静气弹性分析中,机身的建模也是很有必要的。     

大展弦比后掠机翼静气弹效应对气动载荷的影响实验与分析

通过实验与理论分析结合的方法,针对静气弹效应对大展弦比后掠机翼气动载荷影响的问题进行了研究。加工了三副刚度各不相同的机翼,在一系列工况中进行风洞实验,对各个模型的气动载荷进行测量,通过对比可以得到机翼弹性对气动载荷的影响量。在理论分析中通过工程梁理论计算弹性机翼变形,通过升力面理论计算弹性变形引起的气动力增量,在二者之间迭代收敛后得到机翼弹性对气动载荷的影响量,并将其与实验结果进行对比。对比结果表明理论分析和实验吻合程度较好,表明了在机翼气动载荷计算中计入静气弹效应后,大展弦比后掠机翼的弯矩会有显著的降低,对于减轻结构重量有重要的意义。     

高超声速舵面热气动弹性不确定性及全局灵敏度分析

鉴于高超声速中气动热预测的不确定性影响热气动弹性分析的可靠性,提出一种温度分布参数化模型,基于此模型,对高超声速舵面热气动弹性中气动热的不确定性及全局灵敏度进行分析,分析方法:求解N-S方程得到物面的温度分布,对此温度分布进行参数化,分别采用蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation,MCS)方法和稀疏网格数值积分(spare grid numerical integration,SGNI)方法生成不确定性及全局灵敏度分析所需样本,对所有样本都进行热气动弹性分析,热气动弹性分析过程为:由样本得到温度分布,基于此温度分布,考虑热应力和材料属性的影响,对结构进行模态分析,将结构模态插值到气动网格,采用基于CFD的当地流活塞理论进行了气动弹性分析.分别在两种飞行状态下进行分析,计算结果表明:(1) M=5,H=15 km,结构固有频率和颤振分析结果的变异系数约为5.83%;(2) M=6,H=15 km,结构和颤振分析结果的变异系数约为8.84%.两种状态下,两个不确定参数的全局灵敏度都在50%左右,两者耦合作用很小,约为0.与MCS方法相比,SGNI方法显著的提高了不确定性分析效率.      

资金项目:国家自然科学基金资助项目

采用能计及非线性结构刚度的颤振方程为控制方程,和非定常N-S方程耦合求解,运用龙格-库塔方法在时域内求解结构响应的时间历程,从而确定颤振临界条件.计算了带结构刚度非线性的跨音速颤振特性.计算结果表明,结构刚度非线性对颤振特性有明显的影响.由于同时具有结构和气动力非线性,导致了具有复杂振荡极限环的特性.     

基于CFD/CSD分区耦合的气动弹性数值模拟

提出了一种改进的常体积转换局部插值方法和判断两套网格之间宿主-受体关系的高效算法。结构计算采用带面内旋转自由度的四节点四边形平板壳单元模型,气动计算基于有限体积离散的任意拉格朗日-欧拉(ALE)格式N-S方程,并采用Delaunay图映射法来处理网格移动。根据分区耦合原理,建立一套基于计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)的气动弹性计算方法,并应用于AGARD445.6机翼颤振速度系数和颤振频率系数、切尖三角翼的翼尖颤振幅值和颤振频率的分析中。与已有文献相比,数值计算结果误差分别为7.85%和9.46%、7.28%和1.03%,相对较小,验证了该气动弹性分析方法和程序的可靠性和可行性。     

多控制面尺寸对前掠翼静气弹响应影响分析

针对多控制面尺寸对弹性前掠翼静气弹响应的影响,基于计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)松耦合静气动弹性数值计算方法,计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面弦向和展向尺寸对前掠翼模型气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明:当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面弦向尺寸减小时,升力特性在迎角变化呈现相反特性,较小迎角条件下,升力特性逐渐变差,较大迎角条件下变好;当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面尺寸减小时,较小迎角条件下弯曲变形和扭转变形减缓,而较大迎角时相反;随着前、后缘控制面展向尺寸的增大,升力系数增大,升力特性提高;当前、后缘控制面展向尺寸逐渐增大时,较小迎角条件下弯曲变形加剧,扭转变形减缓,而较大迎角条件下弯曲和扭转变形均有所减缓。计算分析得到的规律可为前掠翼飞行器的设计及优化提供有益参考。     

动网格生成技术及非定常计算方法进展综述

对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.     

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界,避免生成复杂贴体网格及动网格,极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法,将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中,通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发,实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证,并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明,通过引入浸入边界模型,能够提高计算效率,并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

基于螺旋桨滑流效应的大展弦比机翼气动弹性分析

以高空长航时大展弦比太阳能无人机机翼为研究对象，针对分布式电驱螺旋桨滑流和大展弦比机翼之间耦合的复杂气动干涉问题，采用滑移网格方法、动网格技术、SST k-ω RANS湍流模型和CFD/CSD （Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Dynamics）双向流固耦合技术，研究了螺旋桨不同转速、布局方式和气动阻尼对机翼气动弹性响应的影响。数值计算结果表明，螺旋桨滑流会改变机翼表面的压力分布；螺旋桨流场对机翼的扰动频率接近机翼的结构固有频率时，机翼会发生共振；螺旋桨的位置越靠近翼尖，或螺旋桨的数量增多，都将增加机翼气动弹性响应的幅值。     

气固耦合振动叶栅非定常流动分析研究

引入结构动力学方程建立了二维N-S/结构振动耦合方程组,采用双时间法建立了气固耦合方程组的非定常数值求解体系,研究了叶栅间的二维非定常粘性流动及叶栅振动特性。对两种叶型分别计算了不同折合振动频率下的流场,振动叶栅位移随时间变化的曲线表明,采用气固耦合得到的叶栅振动频率与非耦合自振频率相比均有所下降;振动位移-时间曲线在不同振动折合频率下有显著差别。在气固耦合情况下叶栅振动规律及其稳定性与非耦合情形差异较大,因此研究叶栅振动稳定性应当考虑气动/结构的耦合。     

基于非结构网格的高效求解方法研究

非结构网格的求解效率一直是计算流体力学工作者十分关注的问题。本文从一个新的角度分析了N-S(Euler/Navier-Stokes)方程求解效率的高低,表明计算效率不仅涉及时间离散的效率,空间离散和程序算法都与之息息相关。采用不同的计算状态,对目前非结构网格上广泛应用的LU-SGS、对称Gauss-Seidel和GMRES方法进行较详细地比较和分析,考查了空间离散的耗时对方程求解效率的影响。结果表明,LU-SGS方法的计算效率在所给的算例中均是最低的;在不考虑大量内存消耗时,GMRES算法求解Euler方程的效率较高,松耦合求解N-S方程时效率会有所降低;在大规模计算中,多次对称的Gauss-Seidel迭代方法应是较好的选择,特别是N-S方程的求解。