基于遗传算法和分布式计算的气动优化设计

采用求解NS方程作为气动优化设计的CFD分析方法，为了提高基于遗传算法的气动优化设计的效率，发展了一种基于分布式并行计算的混合遗传算法，并应用该方法进行了气动优化设计．设计实践表明，该方法是可行的，且由于采用了混合遗传算法和分布式并行计算而提高了优化的质量和效率．     

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。     

一种可用于机翼优化设计中的气动噪声预测模型

发展了一种可用于翼型/机翼外形设计中的气动噪声快速预测方法。相较于传统的半经验噪声预测方法,该方法以两方程非线性k-ε湍流模型模化雷诺应力的雷诺平均方程为背景,考虑了升力系数、三维流动效应以及机翼几何参数等因素对后缘噪声的影响。而相对于直接数值模拟或声类比拟方法,该方法虽不能准确预测噪声强度,但其计算量小,能给出不同翼型/机翼的相对总声压级,以及总声压级随升力系数的变化情况,易于应用于翼型/机翼气动外形优化设计中。通过计算分析二维NACA0012翼型几何参数或来流状态的改变所带来的气动噪声差异,与ANOPP软件及Brooks等计算结果进行对比,验证了该模型的可靠性。最后,计算分析二维、三维翼型/机翼气动噪声,凸显该方法在翼型/机翼气动外形优化设计中的应用价值。     

超临界翼型跨音速特性实验研究

针对新设计的超临界翼型,采用风洞实验方法验证和评估了其气动特性。在增压连续式跨音速风洞(NF-6风洞)开展了超临界翼型跨音速特性的实验研究,验证了该翼型设计的压力分布曲线特点。激波位置和波后压力平台区长度表明设计结果和实验结果基本一致,揭示了超临界翼型跨音速的气动特性;阻力发散马赫数达到期望的设计指标,探讨了雷诺数对该翼型气动特性的影响。最后采用升华法实现了翼型表面流动特性的显示。结果表明转捩点约在16%弦长位置。     

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。     

非结构动网格在可动边界问题中的应用研究

本文对用于非结构动网格生成的弹簧近似方法进行了研究。通过采用顶点弹簧方法,分析研究了弹簧倔强系数的取值,同时通过引入挤压倔强系数和边界修正,对标准弹簧近似方法进行了改进。改进后的方法可以大大提高网格变形能力和网格质量。应用本文发展的非结构动网格生成方法并通过耦合求解基于(ArbitraryLagrangian-Eulerian ALE)描述的Euler方程,模拟了谐和振动NACA0012翼型及M6机翼的跨音速绕流,计算结果与参考文献提供的结果及实验结果吻合良好。     

襟翼侧缘噪声机理及修型降噪设计

襟翼侧缘噪声是飞机起降阶段机体噪声的重要噪声源。采用极大涡模拟对襟翼侧缘非定常流场进行数值模拟,分析其噪声产生机理.基于此,提出了两种襟翼侧缘修型方式,应用虚拟渗透面的Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)声比拟方法将修型构型的远场噪声频谱特性和指向性与基准构型对比分析,研究其降噪效果。通过流场和声场的数值模拟表明,襟翼侧缘噪声属于宽频噪声。不同的襟翼侧缘形状改变了流场形态、侧缘涡结构以及涡系的发展过程,进而对声源分布和远场噪声特性产生影响。结果表明:在给定的5°计算迎角下,两种襟翼侧缘修型方式在保证增升装置的原有升阻气动特性的前提下,能达到减小全场总声压级1~2 dB的降噪效果。      

一种基于湍动能方程的转捩判定方法

转捩现象是阻碍阻力高精度求解的主要问题之一. Menter 和Langtry 所提出的γ-θ转捩模型通过引入涡量雷诺数和间歇因子输运方程来驱动转捩,但是其中很多经验公式的理论立足点有待商榷. 驱使层流转变到湍流依赖的仍然是平均速度的一阶和二阶相关量,它们组合构成了湍动能方程的耗散尺度. 在湍动能方程中做合适的耗散平衡后,仅仅依靠湍动能方程可以有效地捕捉转捩现象. 采用自然转捩和旁路转捩测试算例进行了验证,结果证明该方法与试验值匹配较好,具有一定的工程实用价值.      

基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进

基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport, SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST 方法. 湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正. 平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.