Airfoil design optimization based on lattice Boltzmann method and adjoint approach

We present a new aerodynamic design method based on the lattice Boltzmann method (LBM) and the adjoint approach. The flow field and the adjoint equation are numerically simulated by the GILBM (generalized form of interpolation supplemented LBM) on non-uniform meshes. The first-order approximation for the equilibrium distribution function on the boundary is proposed to diminish the singularity of boundary conditions. Further, a new treatment of the solid boundary in the LBM is described particularly for the airfoil optimization design problem. For a given objective function, the adjoint equation and its boundary conditions are derived analytically. The feasibility and accuracy of the new approach have been perfectly validated by the design optimization of NACA0012 airfoil.     

机翼-机身-挂架-短舱复杂流场数值模拟

本文采用分区搭接网格技术,对机翼/机身/挂架/短舱复杂组合体进行网格分布,通过分析计算网格对结果的影响,探讨了网格的划分.基于Roe的近似黎曼解的方法,采用S-A湍流模型,通过求解N-S方程,对该组合体外流场/发动机短舱内流场进行一体化数值模拟,与相应风洞实验数据进行了比较与分析,取得了与实验数据较为吻合的结果.与无发动机短舱的组合体的气动特性进行比较,分析了短舱对翼身组合体的气动干扰.     

MW级超临界二氧化碳向心涡轮设计及分析

本文以某MW级超临界二氧化碳(S-CO2)向心涡轮为研究对象,对S-CO2向心涡轮的设计体系展开进一步探索,并利用一维分析方法和三维数值模拟方法对其进行气动分析.文中先介绍了本课题组已经开发完成的针对向心涡轮喷嘴和转子叶轮的一维气动优化设计方法,然后补充向心涡轮进气蜗壳的设计方法,最后利用三维CFD方法对设计方案的进气...     

振动激发对高超声速气动力/热影响

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.     

乘波体压缩面变化对其气动性能影响分析

乘波体是一种利用激波包裹特性获得高升阻比的高速飞行器构型.已有研究中,乘波体气动性能的改善主要依赖于给定源流场条件下的前缘型线优化.本文采用数值优化和计算流体力学模拟为主要手段分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响,以期有效拓展乘波体的设计空间.主要内容如下:首先给出了一种基于表面局部变形的乘波体设计方法.其次结合运用增量修正参数化方法、计算流体力学分析和微分演化算法构造了乘波体压缩面外形气动优化设计流程,以一种椭圆锥形流场生成的乘波体作为基准构型开展了无黏优化.之后从优化结果中选择升阻比递增的6个典型构型进行前缘钝化处理后,基于N-S方程对其气动性能进行了评估.最后综合依据无黏/黏性计算结果分析了乘波体压缩面变化对其气动性能的影响.结果表明该部分形状的改变对乘波体气动性能影响十分明显,在升力面积不变的条件下,乘波体压缩面形状变化可导致其升阻比出现成倍变化,即使在升力不减条件下,升阻比较基准构型也可获得超过14%的提升.此外,还可导致乘波体相对压心系数出现明显偏移.     

一种新的海面空气动力学粗糙度方案

综合利用6个国际海洋观测试验资料,共同验证Charnock参数与无因次粗糙度长度(z0/Hs)对波龄的依赖性,建立粗糙度回归模型,并对其进行显著性和适用性检验,从而导出粗糙度无因子形式与有效波高有关.利用研制的粗糙度方案(SP07)研究充分发展风浪与风区、风时和水深的关系,及粗糙度长度对摩擦速度和波龄的敏感度.把SP07方案引人国际上最先进的计算海气通量的COARE(V3.0)算法中,选择1985年12月在北海的FPN平台上的试验资料,进一步检验SP07方案的适用性.得出目前国际上最先进的002和TY01方案较高估计了摩擦速度,YT96方案略偏低估计了摩擦速度,文中研制的方案计算结果与实测结果最接近.     

大密封压比超音速自由旋气动窗口设计与试验研究

 介绍了横向超音速自由旋气动窗口设计方法,分析了单级气动窗口难以实现大密封压比的原因。针对气动窗口扩压器入口气动参数分布特点,提出了一种扩压器带端壁吹气的气动窗口设计方案并进行了试验验证,气动窗口密封压比达到了85。结果表明：扩压器入口端壁吹气是一种有效提高气动窗口密封压比的技术措施,内端壁吹气对密封压比影响较大,外端壁吹气对密封压比影响较小。     

近似黎曼解对高超声速气动热计算的影响研究

高超声速流场计算一般采用TVD型格式,这些格式中,大多采用了不同形式的近似黎曼解. 通过分析和数值验证,论述了激波捕捉格式中近似黎曼解的耗散性质,说明其对高超声速热流计算的影响. 数值实验证明,采用低耗散格式可大大提高热流计算精度,降低热流计算对网格的依赖程度,从而获得精确的热流数值解.      

前缘逆主流喷射冷气时涡轮叶栅流场性能研究

前缘逆主流喷射冷气对壁面静压有明显影响;冷气与主流掺混及卵型涡的形成导致近叶片表面处能量损失增加;吸力面或压力面根部出现与通道涡旋向相同或相反的涡系;卵型涡能够以一定形式保持到叶栅出口并与尾迹作用,使出口处气动参数剧烈变化．     

排翼布局飞行器气动性能的实验研究

通过低速低湍流度风洞实验,研究了利用排翼布局改善充气飞机采用大厚度翼型机翼带来的气动效率偏低问题。首先比较了采用不同厚度翼型的单翼与排式双翼布局的气动特性。在此基础上,为了优化排翼布局的气动特性,研究了给后翼安装偏转角对排翼布局气动特性的影响。同时,基于NACA0030翼型,设计了波纹型外形的充气机翼,比较了此外形下单翼和排翼布局气动性能的差异。实验结果表明,采用排翼布局能够改善采用厚翼型单翼布局的气动性能,而给后翼安装一定偏转角可以进一步提高排翼布局的升力和升阻比。采用波纹外形和光滑外形机翼模型的对比结果表明,波纹外形能够在大迎角时改善充气机翼的失速性能。分析认为,造成这一现象的流动机理是由于波纹型机翼在实验条件下提前由层流转捩为湍流,使失速推迟,流动分离现象有所减弱。