复杂组合体跨音速非定常气动力和颤振计算

论文摘要

本文基于非定常Euler/N-S方程,对复杂组合体非定常气动力计算方法和跨音速颤振特性分析计算方法进行研究。采用块结构网格。在合理网格拓扑结构设计基础上,代数法和椭圆型方程优化法生成各区域边界网格,二维半方法实现复杂组合体空间网格生成。采用基于扰动衰减规律的弹性变形技术快速地生成动态网格,提出一种限制器技术保证物面附近动态网格不相交错。多种构型块结构网格生成实例表明,本文发展出的复杂组合体静、动态块结构网格生成技术实用高效。有限体积法、双时间推进法求解非定常Euler/N-S方程。基于雷诺平均N-S方程模拟紊流,分别选用了BL代数模型、SA一方程模型和SST两方程模型等三个紊流模型。物面函数方法模拟近物面区域流动,减少了物面附近所需网格数。采用DES模型可以对非定常大分离流进行数值模拟。发展出一种便捷有效的再分区方法用于不连续对接面上守恒量插值,可以较好的模拟机翼操纵面偏转的定常、非定常流动。合理运用各种提高数值解精度的方法和加速收敛措施,发展出非定常Euler/N-S方程高效求解的综合方法。采用面样条方法实现模态插值。通过结构运动方程和气动方程的量纲分析,解决了计算模型和实物、结构运动方程和气动方程之间的量纲与求解精度的匹配问题。在时域内耦合高效求解非定常Euler/N-S方程和结构运动方程,发展出时域内静、动气动弹性一体化分析方法,建立起飞行器给定飞行高度和飞行马赫数下的时域颤振计算方法。针对可压流颤振计算中存在的质量不相似问题,提出了跨音速颤振特性变质量、变刚度分析计算方法,用于计算质量匹配点处的颤振速压,并根据颤振速压随质量倍数和刚度倍数的变化趋势,得出可用的飞行器跨音速颤振速压。首次提出了刚度余量的理念,为可压流中颤振余量的定量分析提供了新的手段。在给定飞行高度和飞行马赫数下时域法颤振计算的基础上,结合跨音速颤振特性变刚度分析计算,建立起复杂组合体不同马赫数下全空域范围内的完整的颤振特性分析计算方法。构建出较为完善的复杂组合体亚、跨、超音速颤振特性分析计算软件平台,并成功应用于多个复杂组合体的颤振特性分析计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 计算流体力学的研究进展
• 1.4 非定常气动力和颤振计算的研究进展
• 1.5 本文的工作
• 第二章 复杂组合体静、动态块结构网格生成
• 2.1 引言
• 2.2 二维块结构网格生成
• 2.2.1 代数法初始网格生成
• 2.2.2 椭圆型方程网格优化
• 2.2.3 二维块结构网格生成示例
• 2.3 复杂组合体三维块结构网格生成
• 2.3.1 三维对接块结构网格生成
• 2.3.2 其它三维块结构网格生成示例
• 2.3.2.1 LANN 机翼块结构网格生成
• 2.3.2.2 Φ型机翼块结构网格生成
• 2.3.2.3 弹身翼尾组合体块结构网格生成
• 2.3.2.4 典型民机块结构网格生成
• 2.3.3 三维不完全对接块结构网格生成
• 2.4 复杂组合体高效动态网格生成
• 2.4.1 动态网格生成方法
• 2.4.2 动态网格生成示例
• 2.5 复杂组合体粘性网格生成
• 2.5.1 静态粘性网格生成
• 2.5.2 动态粘性网格生成
• 2.6 本章小结
• 第三章 非定常 Euler 方程计算
• 3.1 引言
• 3.2 定常流动 Euler 方程计算
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.1.1 微分形式
• 3.2.1.2 积分形式
• 3.2.2 中心格式有限体积法
• 3.2.2.1 有限体积法
• 3.2.2.2 中心格式
• 3.2.3 五步 Runge-Kutta 显式时间推进
• 3.2.4 加速收敛措施
• 3.2.4.1 当地时间步长
• 3.2.4.2 隐式残值光顺
• 3.2.5 定常流动 Euler 方程算例
• 3.3 非定常 Euler 方程求解
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 双时间推进法
• 3.3.3 几何守恒律
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.4.1 物面边界
• 3.3.4.2 远场边界
• 3.3.4.3 对称边界
• 3.3.4.4 对接边界
• 3.3.5 非定常 Euler 方程算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 非定常 N-S 方程计算
• 4.1 引言
• 4.2 非定常 N-S 方程求解
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 非定常 N-S 方程数值解法
• 4.3 紊流模型
• 4.3.1 雷诺平均 N-S 方程
• 4.3.2 Baldwin-Lomax 代数模型
• 4.3.3 Spalart-Allmaras 一方程紊流模型
• 4.3.3.1 SA 模型控制方程
• 4.3.3.2 SA 模型控制方程求解
• 4.3.3.3 SARC 模型
• 4.3.4 SST 两方程紊流模型
• 4.3.4.1 SST 模型控制方程
• 4.3.4.2 SST 模型流线弯曲修正
• 4.3.4.3 SST 模型控制方程求解
• 4.3.5 DES 模型
• 4.3.5.1 基于 SA 模型的 DES 模型
• 4.3.5.2 基于 SST 模型的 DES 模型
• 4.3.6 物面函数
• 4.3.6.1 紊流附面层结构和速度分布规律
• 4.3.6.2 物面函数
• 4.4 N-S 方程算例
• 4.4.1 定常流动 N-S 方程算例
• 4.4.1.1 LANN 机翼定常流动 N-S 方程计算
• 4.4.1.2 民机翼身组合体定常流动 N-S 方程计算
• 4.4.2 非定常 N-S 方程算例
• 4.5 本章小结
• 第五章 复杂组合体跨音速颤振时域分析计算
• 5.1 引言
• 5.2 结构运动方程
• 5.2.1 结构运动方程量纲分析
• 5.2.2 结构运动方程 Runge-Kutta 法求解
• 5.3 模态插值
• 5.4 时域内静、动气动弹性一体化计算
• 5.4.1 静气动弹性算例
• 5.4.2 颤振算例
• 5.4.2.1 Φ型机翼颤振计算
• 5.4.2.2 弹身翼尾组合体颤振计算
• 5.5 跨音速颤振特性变质量、变刚度分析计算
• 5.5.1 变质量方法
• 5.5.2 变刚度方法
• 5.6 不同马赫数下全空域范围内颤振特性分析计算
• 5.7 翼身尾组合体颤振特性计算
• 5.7.1 网格密度对颤振计算结果的影响
• 5.7.2 变质量颤振计算结果
• 5.7.3 变刚度颤振计算结果
• 5.7.4 跨音速非线性颤振
• 5.7.5 粘性对颤振特性的影响
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作和贡献
• 6.2 本文的不足之处与后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文