基于CFD方法的飛行器顫振數(shù)值分析研究.pdf

1、目前，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)已能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的真實(shí)流動(dòng)，并作為一種強(qiáng)大有效的數(shù)值工具在船舶海洋、航空航天等工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。氣動(dòng)彈性力學(xué)，作為研究氣動(dòng)力與彈性結(jié)構(gòu)變形之間相互作用規(guī)律的交叉學(xué)科，也越來(lái)越多地借助計(jì)算流體力學(xué)工具進(jìn)行各種氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題的數(shù)值模擬。在相關(guān)領(lǐng)域，飛機(jī)和葉輪機(jī)械等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)對(duì)性能和安全性的要求正不斷提高，但囿于設(shè)備條件和周期成本的限制，許多復(fù)雜的流動(dòng)機(jī)理和氣彈現(xiàn)象難以展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。基于這一背景，本

2、文針對(duì)各種情況下的定常、非定常氣體繞流和氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題展開(kāi)深入的計(jì)算研究，開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算流體力學(xué)方法的流場(chǎng)分析和顫振分析程序，并發(fā)展了一些高效可靠的算法，主要的工作內(nèi)容如下：
　　 研究了多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下雷諾時(shí)均N-S方程和湍流輸運(yùn)方程的數(shù)值離散方法和代碼實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并編制了計(jì)算流體力學(xué)程序?？臻g離散實(shí)現(xiàn)了Jameson中心格式、Van Leer格式、Roe格式和兩種AUSM型格式；時(shí)間離散實(shí)現(xiàn)了雙時(shí)間方法加LU-SGS隱式時(shí)

3、間推進(jìn)格式，并采用多重網(wǎng)格算法加速收斂：湍流模型方面實(shí)現(xiàn)了B-L模型、Spalart-Allmaras模型、兩種k-ε模型和Menter's k-εSST模型。該程序具有良好的求解速度和魯棒性。
　　 使用一些經(jīng)典算例對(duì)開(kāi)發(fā)的流場(chǎng)分析程序進(jìn)行數(shù)值測(cè)試，完成了二維翼型、三維機(jī)翼和翼身組合體的流場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)值對(duì)比相當(dāng)接近，驗(yàn)證了該軟件數(shù)值模擬定常流動(dòng)的可靠性。進(jìn)行了三維平板振蕩葉柵和二維振動(dòng)翼型的非定常繞流計(jì)算，分別

4、得到了葉表的非定常壓差系數(shù)分布和翼型的升力系數(shù)環(huán)、力矩系數(shù)環(huán)，結(jié)果與文獻(xiàn)值相比符合很好，驗(yàn)證了該軟件對(duì)非定常流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬的可靠性。
　　 研究了適用于多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，提出一種徑向基函數(shù)和超限插值結(jié)合的可進(jìn)行對(duì)稱面修正的網(wǎng)格變形方法。首先通過(guò)RAE2822翼型大幅度扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，比較了徑向基函數(shù)和超限插值兩種網(wǎng)格變形方法的優(yōu)劣。使用徑向基函數(shù)和超限插值結(jié)合的方法，對(duì)某大展弦比機(jī)翼彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)變形以及某飛機(jī)模態(tài)變形下的

5、氣動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行變形，獲得了優(yōu)質(zhì)的變形網(wǎng)格。
　　 針對(duì)顫振問(wèn)題的時(shí)域分析，研究了氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)方程的耦合求解算法。運(yùn)用結(jié)構(gòu)直接積分法并引入流場(chǎng)插值技術(shù)，發(fā)展了改進(jìn)的Newmark算法；運(yùn)用高精度線性多步法，發(fā)展了米爾尼預(yù)估一漢明校正算法及雜交的米爾尼預(yù)估一漢明校正算法；將結(jié)構(gòu)方程求解的漢明線性多步法和直接積分法引入子迭代過(guò)程，發(fā)展了兩種全隱式的緊耦合算法。基于流場(chǎng)插值技術(shù)的米爾尼預(yù)估一漢明校正算法和改進(jìn)的Newmark算法在實(shí)現(xiàn)高時(shí)間

6、精度的同時(shí)具有較好的計(jì)算效率。應(yīng)用這些耦合算法計(jì)算了Isogai wing的S型顫振邊界和NACA64A010翼段模型的極限環(huán)振蕩特性曲線，各算法所得結(jié)果極其接近，且與文獻(xiàn)值符合很好。
　　 綜合計(jì)算流體力學(xué)方法、氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)方程耦合算法、界面數(shù)據(jù)插值和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，針對(duì)運(yùn)動(dòng)變形結(jié)構(gòu)研究了基于模態(tài)疊加的顫振計(jì)算，并設(shè)計(jì)了顫振問(wèn)題的計(jì)算流程。應(yīng)用雜交的預(yù)估一校正算法計(jì)算了AGARD445.6 wing和某飛機(jī)的線性顫振問(wèn)題。計(jì)算得到A