用动态非结构重叠网格法模拟三维多体相对运动绕流

发展了动态非结构重叠网格技术。提出了基于阵面推进的相邻单元搜索算法和适合于高阶空间离散格式的网格间插值关系定义方法,前者提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动的非定常问题时网格处理的效率,而后者保证了网格间边界附近流场求解精度。非定常Euler方程的求解采用有限体积法,通量计算采用Osher格式,时间积分采用双时间步长推进。为验证本文提出的方法,分别对定常M6机翼绕流和机翼下外挂物投放过程的非定常绕流进行了模拟,结果表明该方法提高了非结构重叠网格在模拟多体间具有大幅相对运动问题时的效率,保证了网格边界处的精度,具有较高的工程应用价值。

三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性、高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。

基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究

发展了非结构重叠网格技术,提出适合于直升机旋翼运动的动态非结构重叠网格算法,该算法使得在采用非结构重叠网格模拟直升机流场时实现程序自动处理网格,不需任何人工干预。流动控制方程采用非定常可压缩Euler方程,空间离散采用Jameson有限体积法,时间推进采用双时间步长法,为加速收敛,在双时间步长内循环迭代中采用预处理技术。为验证本发展的预处理解算器以及动态非结构重叠网格的算法的可信性和有效性,开展一系列的数值实验,模拟了不同速度范围的NACA0012翼型绕流,Caradonna旋翼悬停和前飞流场以及Robin直升机机身-旋翼组合的前飞非定常流场,结果表明采用本文算法得到的结果是可信的,网格处理是自动高效的,可以应用于直升机全机流场模拟,为直升机设计提供可信指导数据。

基于非结构重叠网格的二维N-S方程求解与应用研究

本文发展了非结构重叠网格技术。通过构造任意单元类型网格重叠的网格间边界确定算法、宿主单元搜索算法以及网格间插值算法,把非结构重叠网格推广应用于求解NS方程,并结合湍流模型模拟二维湍流流场。N-S方程的求解采用有限体积法,通量计算采用Osher格式,湍流模型采用SA模型。为验证本文方法的正确性和有效性,模拟了RAE2822翼型和某三段翼型绕流湍流流场,结果表明采用非结构重叠网格模拟复杂外形湍流流场不但网格生成效率高,而且容易推广应用于具有相对运动的非定常问题,具有较高的工程应用价值。

非结构重叠网格方法研究及应用

航空、航天和兵器技术等领域的研究中存在大量包含运动边界的流场。非结构重叠网格方法是一种高效的处理动边界问题的新方法。围绕相对运动的每个物体单独生成非结构网格,在网格重叠区域通过搜索和插值完成网格系之间的信息传递,提出了"动态八叉树"搜索算法,发展了绝对坐标系和相对坐标系相结合的流场求解方式,采用二阶精度Van Leer/Hanel格式和四阶Runge-Kutta法分别进行空间和时间离散,形成了一种新的非结构重叠网格算法。对三维Riemann问题的求解结果与精确解能很好吻合,证明了本文的重叠网格算法具有较好的时空离散精度和插值精度。对7.62mm步枪射击过程进行了数值模拟,描述了弹丸离开膛口后膛口流场的发展过程,与实验结果体现的发展过程较为吻合,验证了本文提出的非结构网格算法体系具有较好的计算性能,是研究含动边界复杂流场的一种有效手段。

并行化非结构重叠网格隐式装配技术

重叠网格技术广泛应用于复杂外形及多体分离问题的数值模拟,但是超大规模重叠网格装配的鲁棒性和效率依然是实际应用中的瓶颈。基于格心型的有限体积格式,发展了一种并行化的非结构重叠网格隐式装配技术。该技术采用节点的壁面距离作为插值边界的判断准则,并通过物理边界推进确定出活跃区域。此外,基于网格分区策略实现了隐式装配技术的并行化,为了能够适应超大规模的计算网格,在每一个网格子区内单独建立用于查询的交替数字树(ADT)数据结构,整体网格点在各个子区内进行查询,并通过信息通讯接口(MPI)传递查询结果并进行逻辑判断。该并行化的非结构重叠网格隐式装配技术具有较高的自动化程度,通过多体装配算例以及机翼外挂物分离算例,证明了该方法的实用性。

基于非结构网格的非定常流数值模拟方法研究

本文给出了两种基于非结构网格的非定常流动问题的数值模拟方法。一种是基于非结构网格的重叠网格方法，该方法结合了非结构网格方法和重叠网格法的优点，适合于处理复杂外形飞行器的非定常运动问题。另一种是基于Denauley图映射的动弹网格方法，该方法具有较强处理粘性网格的变形运动的能力。本文通过多个数值算例（三维外挂物投放、直升机机身＋旋翼前飞、后缘襟翼大偏角运动以及机翼弹性变形等）对这些方法的正确性和有效性进行了验证，结果表明这两类非结构网格的非定常流数值模拟方法是精确高效的。

拓扑结构改变流场数值方法研究及应用

物体从相互接触的状态分离时会导致流场拓扑结构的改变,针对拓扑结构改变过程提出了一种非结构重叠网格算法。该方法主要包括"洞边界"自动判定、重叠区形成和流场信息交换三个方面的关键问题。针对三维问题提出了判定洞边界的"曲面判定方法";对于重叠区待插值的网格节点建立了"动态叉树"贡献单元搜索方法。洞边界上待插值点的流场参数通过插值方法从其贡献单元上得到。弹丸从炮口发射的过程中,由于弹丸与炮管的分离导致了流场拓扑结构变化,而当炮口带有制退器时将使流场的边界条件更加复杂。利用非结构重叠网格方法对弹丸从带有炮口制退器的火炮中发射过程进行了数值模拟,分析了初始冲击波形成和发展过程,详细描述了运动弹丸对膛口流场的影响。本文提出的算法将能够有效地应用到航空、航天以及兵器技术领域的研究中,特别是物体分离过程导致的流场拓扑结构改变问题。

基于非结构动网格的非定常流数值模拟方法

给出了基于非结构动网格的非定常流动问题的数值模拟方法,重点说明两种动态非结构网格方法的原理以及在非定常流模拟中的算法。一种是基于非结构网格的重叠网格方法,该方法结合了非结构网格方法和重叠网格方法的优点,以物面距为准则参数对网格节点进行分类,进而建立重叠网格的网格间插值关系,通过采用动态非结构重叠网格算法,可以处理多体间具有大幅相对运动的非定常问题。另一种是基于Delaunay图映射的动弹网络方法,该方法首先利用已有网格的边界点生成覆盖整个计算域的Delaunay图;然后建立网格点在图上的一一映射关系,通过Delaunay图来描述边界运动;最后利用映射关系获得新网格点的坐标。本文通过多个数值算例(三维外挂物投放、直升机机身+旋翼前飞、后缘襟翼大偏角运动以及AGARD445.6机翼气动弹性变形)分别对这两种方法进行了验证,结果表明这些方法在动边界非定常流模拟时具有较高的计算效率和鲁棒性。

飞行器外挂投放数值模拟

采用非结构重叠网格Euler方程的CFD方法数值模拟了外挂投放。该方法在重叠网格"挖洞"时,以"离壁面距离"为挖洞判据;在建立重叠区域插值关系时,对Neighbor to Neighbor(N2N)和Alternating Digital Tree(ADT)两种方法的效率进行了比较。采用机翼/挂架/带舵外挂物模型开展了验证计算。在此基础上,完成了某飞行器外挂投放的初步计算。

武器分离及舱门开启过程数值模拟研究

基于非结构重叠网格技术,发展了一套能较好模拟空腔流动和武器分离问题的数值计算方法。通过模拟典型空腔流动和WPFS模型分离轨迹,并与试验结果比较,说明本文方法可较好模拟空腔复杂流动和武器分离轨迹。采用发展的数值方法对某内埋弹舱舱门开启过程和内埋武器分离轨迹进行了数值模拟,研究了舱门运动的非定常效应对舱门气动特性的影响。研究表明:一定条件下,舱门运动产生的非定常效应对舱门气动特性影响较大,舱门和舱门控制系统设计时必须考虑;在本文给定条件下,弹舱内的内、外侧导弹均能安全分离。通过研究,为内埋弹舱的舱门设计和内埋武器分离安全评估提供了技术手段和依据。

带控制律导弹投放数值模拟

基于非结构重叠网格技术,耦合舵面控制律模块,采用非定常雷诺平均NS方程,建立了模拟控制律作用下导弹投放分离动态特性的CFD数值方法。非结构重叠网格生成技术以"物面相交"方法确定洞边界,在多套网格重叠部分采用算术平均进行物理量的计算传递。采用机翼/挂架/带舵外挂物模型,以及不同的舵面控制规律展开了对比计算,分析了结果。并比较了某导弹有无控制律作用时从某战斗机分离的动态特性,研究了增加控制律的必要性。

超声速下栅格舵展开过程数值模拟

栅格舵从折叠到展开的过程中气动特性变化剧烈,对展开可靠性和导弹整体气动特性的影响都比较大。针对栅格舵这种复杂的构造形式,生成了带有棱柱层的非结构网格,再结合重叠网格技术对栅格舵导弹超声速绕流流场进行了数值模拟,计算结果与风洞试验结果吻合较好。在此基础上,对超声速下栅格舵动态展开过程的非定常流场进行了数值模拟,分析了栅格舵导弹动态气动特性的变化规律。

分离涡模拟方法在内埋弹舱机弹分离模拟中的应用

为了研究内埋弹舱非定常流场对武器投放分离特性的影响,基于分离涡模拟(DES)方法和非结构重叠网格技术,建立了内埋武器机弹分离高精度数值模拟方法。在此基础上,首先通过典型空腔流动和机弹分离算例验证了数值方法的有效性,然后采用平均雷诺应力模拟(RANS)和DES两种方法探究了机弹分离过程中弹舱腔内涡结构的演化历程,分析了两种方法在机弹分离流场结构模拟中的差异,研究了内埋弹舱流场结构对导弹分离特性的影响。计算结果表明:机弹分离过程中,高强度涡结构逐渐向弹舱腔体后缘聚集,同时弹舱剪切层流动结构被导弹破坏,导弹出弹舱阶段俯仰方向所受气动力矩急剧变化。相比RANS方法,DES方法捕捉到的高强度小尺度涡结构对导弹压力分布影响较大,使得分离后期导弹俯仰角、俯仰角速度产生明显差异,DES方法更适合内埋武器舱分离特性精细化研究。该研究结果可为内埋武器机弹分离研究的计算方法选择和安全分离策略提供一定的参考依据。

外挂物分离安全性的近似评估方法及验证

分离安全性评估是外挂物分离系统的关键技术问题,本文首先对外挂物分离的Schoch判据准则进行详细推导,然后采用非结构动态重叠网格技术耦合求解三维可压雷诺平均N-S方程和刚体六自由度运动方程,获得外挂物分离后的质心运动学参数,并选取外挂分离物尾翼上最危险点M进行分离准则验证。结果表明,外挂分离物尾翼上最危险点的运动学参数落在安全分离区域,整个过程能安全分离。