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。     

EARSM和DRSM在亚音速旋涡流动中的应用

基于非结构网格,采用带曲率修正的显式代数应力非缌出漠型（EARSM）和微分雷诺应力模型（DRSM）,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法。分别以尖前缘和钝前缘的65°三角翼为例,验证了EARSM模型和DRSM模型在两种典型亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力和旋涡的产生、发展、破裂过程。分别利用SA、BSL两种线性湍流模型对相关问题进行了计算;通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就几种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估。结果表明：EARSM和DRSM能较好地预测旋涡流动的发展破裂,强于经典线性湍流模型;对边界层发展状况预测较差,导致旋涡启动位置较早。基于算例计算,对两种先进湍流模型的改进提出了适当的建议。所得结论将可为进一步开展大攻角旋涡流动模拟方法的研究提供参考。     

拼接网格技术在复杂流场数值模拟中的应用研究

采用分区拼接网格技术,对 DLR-F6 机翼/机身胜架/短舱复杂组合体进行拼接网格分布.并采用 Menter SST 湍流模型,通过求解 Navier-Stokes 方程,对该组合体外流场以及发动机短舱内流场进行了一体化数值模拟,与相应风洞实验数据及分区搭接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性.同时通过分析对比不同插值方法的计算结果,研究了插值方法对拼接精度的影响;通过分析对比几组不同的拼接网格算例,总结出了 3 个拼接网格的基本实施准则.证明了拼接网格能够大幅度减小计算网格数目,可以更加灵活地分布网格节点,这样既可以缩短计算时间,又可以降低对内存的需求,提高了计算效率;同时无论整体的力系数,还是局部的压力分布流场细节都能够满足工程精度.     

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。     

基于分区拼接网格技术高升力装置流场数值模拟

针对高升力装置构型模型结构复杂、流场变化剧烈等特点,本文采用分区拼接网格的思想分别按照流场和结构拓扑特点对高升力装置进行了网格分区。在分区的基础上逐块生成网格,减小了增升装置网格的生成难度,提高了网格质量,减少了网格数目。首先,研究了高升力装置的分区策略及流场特点;接着以MD30P-30N多段翼型为研究算例研究了网格比例和插值方法对计算结果的影响。经过分析对比可知:外部区域与近壁区域之间的比例不宜小于1:5;内部域网格比例不宜超过1:1.8,最好保持在1:1左右;计算中应该采用高阶精度插值以保证计算精度。采用某四段翼型进行了验证;最后采用NASA标准高升力装置进行了三维高升力装置流场数值模拟并与相应风洞实验数据及对接网格计算结果进行了比较与分析,验证了拼接网格技术的高效性与可靠性。同时分析研究了绕三维增升装置的流动及其周围复杂的粘性流动现象。     

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.     

Ti/Ti-类金刚石多层膜的制备与表征

采用电子回旋共振-化学气相沉积结合中频磁控溅射的真空镀膜技术, 以99.99%Ti为靶材, 乙炔为碳源制备了Ti/Ti-类金刚石(DLC)多层膜. 利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪 对Ti/Ti-DLC多层膜进行了相结构、组织、成分及形态分析. 采用显微硬度仪、摩擦磨损仪、表面粗糙度仪对Ti/Ti-DLC多层膜进行了力学性能考察. 结果表明: Ti/Ti-DLC多层膜中主要含有TiC晶相; Ti层和Ti-DLC层中未出现柱状晶体生长模式, 分层中均以岛状模式生长; 当调制周期Λ≤ 50 nm时, 分层结构变模糊; 调制周期Λ对Ti/Ti-DLC多层膜的复合硬度、摩擦系数、表面形貌、表面粗糙度都有影响, 当调制周期Λ较小时表现出纳米增硬效应, 表面出现大颗粒, 表面粗糙度和摩擦系数均变大.     

基于张量奇异值分解的鲁棒视频水印算法

针对视频的版权保护, 提出了一种基于张量奇异值分解(T-SVD)的鲁棒视频水印算法. 不同于图像, 视频具有多维度的特点, 能够被看作一个高阶张量, 并通过张量奇异值分解以保留帧内和时域的相关性, 从而提高水印鲁棒性. 首先, 对视频帧的亮度分量进行离散小波变换(DWT), 计算得到低频子带(LL), 并将每3帧的LL作为一个三阶张量; 其次, 将三阶张量分成不重叠块, 并进行张量奇异值分解, 计算得到对角张量; 最后, 利用包含强相关性的对角线张量的奇异值嵌入水印以增强鲁棒性. 此外, 还采用密钥随机提取视频帧, 以加强算法的安全性. 实验结果表明, 提出的算法能够抵抗多种视频攻击, 具有较强的鲁棒性.     

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。     

一种新型高鲁棒性动网格技术及其应用

首先对四元数进行李代数空间指数映射,解决了多个四元数插值问题,并结合距离倒数插值方法实现网格边界扰动向空间网格的传播,建立了新型高鲁棒性的四元数变形网格技术. 针对该型动网格技术中由于大型矩阵运算量引起的运算效率低问题,同时利用四元数方法在动网格变形中具备与物面边界高阶一致性的特点,提出了分层次变形策略,避免了面向全流场网格节点的大型矩阵运算;进一步基于无限插值技术较强的逻辑保持能力,建立了面向结构网格分层混合变形方法. 充分利用多区域重叠、对接网格变形技术中隐含的并行性,基于对等式编程思想及MPI 库函数对动网格程序进行并行化编程,建立了高效高鲁棒性的变形网格技术. 以某型客机翼身组合体气动弹性分析为范例,研究了不同方法之间的计算效率以及鲁棒性,进一步将分层混合变形网格技术应用于某型支线客机全机型架外形设计与修正,验证了所建立的新型动网格技术的高效性与鲁棒性.