调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

基于CFD/CSD耦合的某液压管流固耦合特性计算研究

飞机控制广泛使用液压传动系统,在控制面操纵过程中,会造成液压系统内压力变动,对液压管路产生一定的冲击,液压管路在冲击下会产生变形和振动,进而影响管路内液体流动,产生流固耦合现象。本文对某液压管的流固耦合现象进行了CFD/CSD数值计算,得到了液压管内流动特性以及管壁的结构动响应,为液压管路的设计提供数值参考。

基于CFD/CSD耦合的高速射弹尾拍载荷特性研究

为提高射弹尾拍载荷的预测精度,建立了一套基于计算流体动力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)双向耦合分析的计算方法和程序。射弹流体计算主控方程采用耦合SSTk-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型的Navier-Stokes方程,射弹结构计算采用基于模态叠加法简化的结构动力学方程,流固耦合界面插值采用径向基函数法,网格变形采用弹簧网格法。分别对泡型计算方法和流固耦合方法进行验证,在此基础上,计算对比1 000 m/s速度下射弹刚体和弹性体的尾拍泡型、结构变形和尾拍流体载荷特性差异。计算表明:弹性体尾拍过程,射弹泡型会产生弹身“二次拍击”、“局部沾湿”和沾湿面积增大等特殊现象,结构变形由弹性一弯模态主导,较大的变形引起流体载荷增大27%~105%,尾拍姿态角增大13%,尾拍频率增加20%,流固耦合效应对尾拍泡型、尾拍载荷和尾拍弹道均产生了较强的影响。

基于CFD/CSD弱耦合方法的后掠尖旋翼气弹响应分析

准确计算旋翼的气弹响应,对于旋翼的设计与振动控制具有重要的意义。传统的旋翼气动模型通常采用简单的叶素理论、自由尾迹方法,导致气动力计算精度较差。这里的CFD计算采用非定常重叠动网格计算方法,通过直接求解Navier-Stokes方程的方法获得尾迹,旋翼的流场网格采用多重动网格方法生成。CSD计算采用有限体积梁单元建立桨叶的有限体积梁模型,边界条件采用第一类拉格朗日乘子法进行考虑。流固耦合交界面的气动力计算结果通过插值和积分映射到CSD模型上,在此基础上进行旋翼的气弹响应分析。

一种CFD/CSD耦合计算方法

针对柔性大展弦比机翼气动弹性分析和主动弹性机翼(AAW)设计发展了一种计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法。其主要思想是采用在同一物理时间弱耦合求解CFD/CSD技术。气动力采用非定常N-S方程的双时间有限体积求解技术,结构响应则采用有限元数值求解技术。CFD和CSD耦合计算的边界信息(气动力和网格)由所设计的界面程序传输。网格信息传输采用守恒体积转换(CVT)方法将CSD计算结构响应位移插值到CFD网格点上。变形已有的CFD网格技术用以确定CFD的变形网格。以位移或载荷的迭代误差为判断耦合计算的收敛标准。最后得到了机翼在Ma=0.8395,α=5.06°时CFD/CSD耦合计算的收敛值。针对计算结果分析了机翼受静气动弹性过程中结构响应和气动特性随时间变化的效应。初步研究结果表明:这种弱耦合方法求解非线性气动弹性问题是可行的。

基于CFD/CSD耦合的颤振与动载荷分析方法

采用CFD/CSD耦合方法,建立了气动弹性仿真系统。基于系统辨识的方法,使用Volterra级数建立了降阶模型(ROM),实现了颤振边界的快速求解,分别使用CFD/CSD全耦合方法与ROM完成了AGARD 445.6标模的颤振分析,计算结果与实验相符较好。使用ROM完成了带边条平直翼的颤振分析。使用CFD/CSD耦合方法计算了此机翼在飞行动压下的气弹响应,结果表明即使在颤振边界内,仍然有可能出现极限环振荡(LCO)。对此,分析了其气弹响应中的动载情况。结果表明基于CFD/CSD耦合的方法可以真实地仿真气弹响应过程,准确地分析气弹响应中的动态载荷情况。

基于CFD和CSD耦合的涡激振和颤振气弹模拟

以FLUENT为研究工具,利用微分方程的数值解法和动网格技术,基于松耦合方法将Newmark算法通过UDF嵌入Fluent软件中,实现了CFD和CSD耦合的分析方法。通过建立二维方柱绕流模型,计算了竖向单自由度振动方柱在不同风速下的斯托罗哈数和最大振幅的变化情况,模拟了涡激共振锁定现象,并与静态绕流的结果进行了对比。建立了具有竖向振动和扭转振动二自由度的薄平板模型,并识别了该平板的颤振导数,进一步对其弯扭耦合颤振临界风速进行了逼近计算,本方法得到的颤振临界风速与Scanlan理论公式和Selberg理论公式吻合较好。

二阶时间精度的CFD/CSD耦合算法研究

非线性气动弹性分析中,涉及到非线性流体动力学(CFD)和非线性结构动力学(CSD)的耦合计算问题。本文分析比较了目前几种耦合算法:全耦合、松耦合和紧耦合,并从耦合边界能量传递守恒上就松耦合及紧耦合方法进行了时间精度的分析,得出传统松耦合中即使流体和结构子系统达到高阶时间精度,耦合算法的时间精度仍仅为一阶,紧耦合方法虽然可以达到二阶时间精度,但没有明显提高计算效率。随后,本文基于松耦合流程改进了耦合格式,分析表明其具有二阶时间精度,通过AGARD445.6机翼颤振模型的算例验证,说明该方法可以在保证计算精度的基础上明显提高计算效率,并保持了传统松耦合方法模块化的优点,在模拟非线性气动弹性问题时具有很高的优越性。

快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法

提出一种基于CFD(computational fluid dynamics)计算和系统识别建立气动模型(aerodynamic model,简称AM),基于气动模型仿真和CSD(computational structural dynamics)耦合计算,快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法。该方法先将桥梁在风作用下的流场处理成一个气动力系统,通过实现一种基于广谱激励强迫桥梁断面运动的CFD计算,并通过给定的桥梁运动位移和计算得到的气动力,基于系统识别获得桥梁主梁的气动力模型。然后将大跨度桥梁结构系统和主梁气动力系统组成AM-CSD气动弹性耦合系统,考察桥梁在初始位移激励条件和不同的来流风速下,耦合系统的位移和气动力响应之时域和频域特征,并最终预测大跨度桥梁的颤振临界风速。以主跨888m的虎门大桥为例,给出大桥的颤振临界风速和颤振形态,通过与风洞试验的对比,验证方法的可行性和高效性。

基于CFD/CSD耦合算法的机翼颤振分析

用计算流体力学／计算结构力学（CFD／CSD）耦合算法对标准气动弹性模型AGARD445．6机翼作了颤振分析，主要研究机翼的跨音速颤振求解问题。采用常体积转换法（CVT）进行流体与结构之间的数据交换并运用松耦合方法对气动弹性方程进行时域推进仿真。计算机翼在Ma=0．499～1．072的颤振边界，并将计算结果同偶极子格网法（DLM）的计算结果与试验结果比较，结果显示CFD／CSD耦合计算结果较DLM计算结果更接近于试验值，尤其是在非线性强的跨音速区域。可见，CFD／CSD耦合计算比DLM具有很大的优越性。

旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。

基于CFD/CSD方法的跨声速静气动弹性数值模拟应用研究

针对大型飞机跨声速静气动弹性问题,基于CFD/CSD流固耦合方法开展了数值模拟应用研究。具体方法是:采用RANS方程与静气动弹性平衡方程作为计算控制方程,CFD采用多块对接结构化网格进行分区并行计算,并利用多重网格技术加速收敛;使用RBF结合TFI方法进行网格变形;通过TPS插值实现多场数据交换。基于上述方法开发了计算程序,并与典型风洞试验结果开展了对比研究,验证了方法和程序的有效性。最后通过数值模拟结果,分析了跨声速时静气动弹性对典型大型飞机机翼的几何变形、表面压力及气动性能的影响特性。

CFD/CSD耦合计算研究

基于流体———结构干扰计算中流体和结构网格之间的数据交换方法的研究 ,提出了一种改进的常体积转换法 (CVT) ,即引入面积限制值来保证网格插值的质量。运用该方法对两种常规外形 :机翼和弹体圆柱段进行了插值计算 ,并与无限平板样条法 (IPS)进行了比较和误差评估。认为改进的CVT插值方法能避免原CVT方法可能出现的异常情况 ,且大大提高了插值精度 ,是一种适合用于CFD CSD耦合计算接口界面的插值方法。

结构非线性对基于CFD/CSD的气动弹性仿真的影响

基于CFD/CSD的高精度气动弹性方法计算了某大柔度机翼的气动弹性问题,分析了结构非线性对计算精度的影响。基于CFD/CSD的气动弹性方法具有精度高的显著优点,因此很适合用于分析飞行器气动弹性问题,但庞大的计算量所带来的计算效率问题限制了该方法的应用。近年来,随着计算机计算能力的快速提高以及流体结构求解算法的发展,基于CFD/CSD的气动弹性计算方法得到了越来越广泛的应用。大柔度飞行器在飞行状态下结构变形很大,呈现出很强的结构非线性,此时必须考虑结构非线性对气动弹性计算结果的影响。文章对线性和非线性计算结果进行了比较,认为对于大柔度飞行器结构,考虑结构非线性对基于CFD/CSD气动弹性方法仿真精度的提高有着重要的意义。

CFD/CSD与机弹分离的耦合模拟技术

机弹分离模拟的刚性模型不能反映机翼弹性变形的影响。在分别建立并验证的CFD/CSD气弹模拟方法和机弹分离模拟方法的基础上,通过流场网格更新环节同时反映机翼结构的变形运动和弹体的六自由度运动对流场的相互影响。CFD与CSD的求解方法可计及真实飞行器流场的非线性和结构的非线性。基于各主控方程的时间域积分,交错时间推进获得整个耦合系统的响应,建立了一套CFD/CSD与机弹分离耦合求解的时域仿真系统。

基于CFD/CSD与Kriging插值模型的大展弦比复合材料机翼静气动弹性优化设计

基于CFD/CSD耦合计算方法和Kriging近似技术,建立了大展弦比复合材料机翼静气动弹性优化的近似模型。采用多岛遗传和序列二次规划混合优化算法以及多目标遗传和序列二次规划混合优化算法实现了机翼在多目标、多约束条件下的静气动弹性优化设计。优化结果表明:随着试验设计中抽样点个数的增加,近似模型的拟合精度越来越高,当设计样本点数为180时近似模型的最大拟合误差小于1%;在近似模型下,相对于多目标遗传和序列二次规划混合优化算法,采用多岛遗传和序列二次规划的混合优化算法优化时得到的重量小3.7%,升阻比大0.13%,但是寻优速度不如前者;结合近似模型,采用多岛遗传和序列二次规划的混合优化算法优化后机翼的重量减小了10.36%,升阻比增加了2.04%,采用近似模型优化时运行时间仅为不采用近似模型优化的10.23%,证明了该优化方法的可行性。

CFD/CSD耦合声气动弹性时域仿真研究

提出了一种基于计算空气动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的声气动弹性时域仿真方法。空气动力学和气动声学分别采用大涡模拟和Lighthill声比拟理论进行计算,结构动力学采用模态叠加的方法进行计算。以运载器舱体为研究对象,通过计算得到了舱体结构响应的时间历程,分析了舱体表面由于涡的破碎和融合的演变所产生脉动压力引起结构瞬态响应的机理。通过对中低频段声气动弹性的分析应用,验证了CFD/CSD耦合的声气动弹性计算方法的可行性。

基于CFD/CSD的大展弦比机翼气动弹性研究

考虑气动力非定常效应和惯性载荷作用对机翼气动弹性行为的影响,采用基于Euler方程和有限元的CFD/CSD耦合方法分析了大展弦比机翼的气动弹性时域响应,实现静、动气动弹性一体化计算。计算结果显示在相同马赫数下,机翼静变形随着飞行动压增大而增大;但是随着飞行高度的增加,机翼在进入稳态之前振荡越剧烈,响应超调越大,升力损失越小。

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。

基于CFD/CSD/FW-Hpds综合方法的旋翼BVI噪声IBC主动控制参数影响分析（英文）

建立了一种CFD/CSD/FW-Hpds综合分析方法用于研究通过IBC技术降低旋翼的桨涡干扰噪声。基于这一综合方法的研究发现,通过IBC控制可以将处于斜下降状态的UH-60A旋翼产生的BVI噪声的主要部分即中频噪声降低10dB以上。通过选择合理的IBC控制输入量可以将BVI噪声的声压级降低7dB以上。不同飞行状态下,比如不同的飞行轨迹,特别是10°下降角时,BVI噪声可以通过IBC控制得到有效的削弱。