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基于全程自适应非结构嵌套网格技术的旋翼流场模拟

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基于全程自适应非结构嵌套网格技术的旋翼流场模拟

作者：桑树浩南京航空航天大学

学位级别：硕士

直升机是一种独具特色的飞行器,在很多方面有着广泛的应用价值。旋翼作为直升机的主要部件,对直升机的飞行性能、噪声水平等有着重大的影响,进行旋翼流场模拟和气动分析研究意义重大。第一章阐述了国内外相关领域当前的研究背景和现状,... 详细信息

直升机是一种独具特色的飞行器,在很多方面有着广泛的应用价值。旋翼作为直升机的主要部件,对直升机的飞行性能、噪声水平等有着重大的影响,进行旋翼流场模拟和气动分析研究意义重大。第一章阐述了国内外相关领域当前的研究背景和现状,涉及旋翼流场模拟相关的网格技术和方程求解技术等,并引出本文的主要工作。第二章主要介绍了CFD中的主控方程、主控方程的空间离散、时间离散、湍流模型、ALE形式的控制方程、低速预处理技术以及边界条件等。第三章详细介绍了针对格心格式求解器的非结构嵌套网格算法,并介绍了与此相关的宿主单元搜索、物面距求解以及数据传递等技术,该算法可以处理不同块数、不同形状、不同覆盖关系的网格,具有较高的通用性与高效性。此外,还简要介绍了结构网格、非结构网格生成技术以及结构嵌套网格技术。第四章介绍了自适应笛卡尔网格技术中涉及的背景网格初始化、自适应判据、自适应算法、数据结构及相应的网格单元处理方法等。可以根据旋翼流场的信息及时地进行自适应加密和自适应稀疏。第五章介绍了处理桨叶网格运动的坐标变换以及铰接式旋翼悬停和前飞状态的配平方法,并对配平方法进行了验证。第六章对二维双翼型、不同飞行状态下的旋翼流场进行了数值模拟、验证与对比,结果表明本文数值模拟中的多项技术能有效模拟复杂的旋翼流场及气动特性,其中的全程自适应网格技术可以显著地提高求解器对旋翼桨尖涡的流动细节的捕捉。

关键词：旋翼流场非结构嵌套网格全程自适应网格桨尖涡旋翼配平 CFD

基于非结构嵌套网格的低空大动压头罩分离数值模拟

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导弹与航天运载技术 2019年第5期 17-22页

作者：袁亚李冬马友林陈皓王亮中国运载火箭技术研究院

为准确模拟低空大动压恶劣环境下头罩分离的全过程,利用多面体非结构动态嵌套网格技术,耦合求解雷诺平均纳维-斯托克斯控制方程(Naiver-Stokes equations, N-S)和六自由度运动方程(6-Degrees of Freedom, 6-DoF),实时计算头罩分离过程... 详细信息

为准确模拟低空大动压恶劣环境下头罩分离的全过程,利用多面体非结构动态嵌套网格技术,耦合求解雷诺平均纳维-斯托克斯控制方程(Naiver-Stokes equations, N-S)和六自由度运动方程(6-Degrees of Freedom, 6-DoF),实时计算头罩分离过程中的刚体与流体相互耦合的动态分离运动。结果表明:采用数值模拟方法可得到清晰直观的分离轨迹,同时需合理配置主动分离力大小、作用行程、质心位置才能保证头罩分离安全;随着头罩分离张角的增加,高速气流进入头罩并在头罩和飞行器本体之间的间隙出现"填充-滞止-泄流"流动现象,直接影响头罩气动力变化。

关键词：非结构嵌套网格头罩分离低空大动压数值模拟

基于非结构嵌套网格技术的低空大动压级间分离数值模拟

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导弹与航天运载技术 2020年第5期 20-24页

作者：袁亚李冬马友林陈皓王亮中国运载火箭技术研究院北京100076

为有效预示低空大动压环境下飞行器级间分离过程,利用数值模拟技术耦合求解雷诺平均纳维-斯托克斯控制方程(Naiver-Stokes equations,N-S)和六自由度运动方程(6-Degrees of Freedom,6-DoF),仿真给出飞行器高速级间分离过程前后体及流体... 详细信息

为有效预示低空大动压环境下飞行器级间分离过程,利用数值模拟技术耦合求解雷诺平均纳维-斯托克斯控制方程(Naiver-Stokes equations,N-S)和六自由度运动方程(6-Degrees of Freedom,6-DoF),仿真给出飞行器高速级间分离过程前后体及流体相互耦合的动态运动过程。结果表明:数值模拟级间分离过程可得到后体和前体清晰、直观的流场特性和分离轨迹、姿态特性;级间分离的流场结构丰富,存在分离区、回流区、高压区等,对前后体气动特性影响较大;依靠后体气动力可实现级间的安全分离,但后体的初始分离抬头趋势明显。

关键词：非结构嵌套网格低空大动压级间分离数值模拟

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针对旋翼流场模拟的自适应网格算法

南京航空航天大学学报 2019年第3期51卷 382-389页

作者：罗阳桑树浩陈仁良南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算... 详细信息

针对基于格心格式求解器的旋翼流场模拟,提出了相应的自适应笛卡尔网格的数据存储结构及自适应算法。给出了相应的单元处理策略,简化了对自适应笛卡尔网格的处理;对于频繁的自适应加密过程中产生的大量重复点,采用了高效的交替数字树算法(Alternating digital tree,ADT)予以删除;对于自适应疏化过程中产生的大量无用点,提出了标记-删除-移动(Mark,delete,move,MDM)算法予以快速地删除,减少了不必要的计算资源消耗。对Caradonna&Tung旋翼在不同悬停状态下进行了模拟验证,对比了压力分布系数与桨尖涡位置。之后对HELISHAPE7A旋翼在前飞情况下进行了模拟验证,计算值与实验值吻合。此外,求解器对桨尖涡的捕捉效果得到了明显的提高,表明本文方法具有良好的有效性与鲁棒性。

关键词：旋翼 CFD 自适应非结构嵌套网格 MDM算法

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基于自适应嵌套网格的倾转四旋翼流场模拟

基于自适应嵌套网格的倾转四旋翼流场模拟

作者：陈健南京航空航天大学

学位级别：硕士

倾转旋翼机兼具常规直升机的低速性能和固定翼飞机的高速巡航性能,能满足未来直升机的高飞行速度、长航程要求,是国内外重要研究方向。倾转旋翼机旋翼/机翼、机身的干扰、旋翼间的干扰相比于普通直升机的气动性能研究更为复杂。本文针... 详细信息

倾转旋翼机兼具常规直升机的低速性能和固定翼飞机的高速巡航性能,能满足未来直升机的高飞行速度、长航程要求,是国内外重要研究方向。倾转旋翼机旋翼/机翼、机身的干扰、旋翼间的干扰相比于普通直升机的气动性能研究更为复杂。本文针对悬停状态倾转旋翼机的复杂干扰流场发展了一套高效的网格生成方法和数值计算方法,并编写了计算程序。采用多体嵌套网格系统,综合了网格单元分类、宿主单元搜索、物面距求解、八叉树笛卡尔网格生成、基于涡量准则的自适应背景网格加密与疏化算法。在流场区域采用可压流雷诺平均方程,空间离散采用Jameson中心格式,湍流模型选用k-ωSST模型,时间推进采用双时间步隐式迭代。首先对C-T旋翼和课题组大扭度旋翼进行悬停流场及气动性能计算,将前者结果与文献值对比,然后进行孤立大扭度旋翼气动试验,将试验值与CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)计算值对比,证实了本文方法用于旋翼流场的有效性。之后针对课题组倾转四旋翼机进行悬停状态的非定常干扰流场及旋翼/机翼气动力分布进行数值研究。研究结论表明:本文所开发的网格生成方法,能有效降低网格生成难度,准确模拟倾转四旋翼机旋翼的复杂运动,同时对桨尖涡具备较好的捕捉能力;所建立的数值计算方法,能准确模拟旋翼的复杂流场,计算精度较高,能准确的计算倾转旋翼的气动特性;在悬停状态,倾转四旋翼机前后机翼上表面均产生了“喷泉效应”,左右旋翼距离较远干扰极小,前后旋翼的干扰对旋翼拉力的影响约1%,但旋翼与机翼之间的干扰较大,同一旋翼右旋时对应机翼受力为旋翼拉力的16%,左旋时为旋翼拉力的10%。

关键词：旋翼倾转四旋翼飞行器非结构嵌套网格自适应网格桨尖涡 CFD

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基于高精度格式的直升机流场模拟

基于高精度格式的直升机流场模拟

作者：张居晖南京航空航天大学

学位级别：硕士

旋翼作为直升机主要升力来源,其气动特性对直升机的噪声水平,振动水平,飞行性能,飞行品质有着不小的影响。因此,运用高精度数值格式对旋翼涡流场进行有效模拟以准确预测旋翼空气动力学特性对于直升机的发展十分重要。第一章主要介绍了... 详细信息

旋翼作为直升机主要升力来源,其气动特性对直升机的噪声水平,振动水平,飞行性能,飞行品质有着不小的影响。因此,运用高精度数值格式对旋翼涡流场进行有效模拟以准确预测旋翼空气动力学特性对于直升机的发展十分重要。第一章主要介绍了本文的研究背景以及旋翼流场数值模拟,高精度格式和直升机干扰流场数值模拟等相关领域的国内外研究现状,表明了发展旋翼涡流场高精度数值模拟方法和研究直升机旋翼/机身等气动干扰问题的重要意义,并给出了本文的主要研究内容。第二章基于三维RANS方程,发展了一套针对格心格式的低耗散性的高精度旋翼CFD方法。其中,空间离散方法对流通量的计算在笛卡尔背景网格上采用七阶Roe-WENO格式以降低桨尖涡输运过程中的数值耗散,在贴体非结构网格上采用Roe-分段线性格式;时间离散方法采用双时间隐式LU-SGS方法进行时间推进。第三章主要介绍了针对格心格式求解器的非结构嵌套网格算法,并介绍了相关的宿主单元搜索,物面距求解和嵌套网格间数值传递等技术。第四章,运用前文建立的高精度旋翼CFD方法对悬停状态的不同外形的旋翼涡流场进行了计算,并将计算结果与实验值进行了对比,说明了本文高精度旋翼CFD方法的有效性;同时将旋翼涡流场的桨尖涡捕捉效果与JST格式进行了对比,体现了本文高精度旋翼CFD方法数值耗散低的特点。之后将前文建立的高精度旋翼CFD方法应用到直升机旋翼/机身气动干扰流场计算中,并将计算结果与实验数据进行了对比,表明了本文高精度CFD方法对直升机旋翼/机身气动干扰流场计算的有效性。第五章,进一步将前文建立的高精度CFD方法扩展到双推进螺旋桨构型复合式高速直升机全机流场计算中,对悬停状态该构型复合式高速直升机全机流场的干扰特性进行了深入计算和分析,并将不同组合状态下的流场计算结果进行了对比,以得出一些关于该构型复合式高速直升机全机流场干扰特性的结论,为将来这种构型直升机的设计提供参考。

关键词：旋翼桨尖涡非结构嵌套网格 WENO格式旋翼/机身干扰复合式高速直升机全机干扰特性