旋翼繞流的高效數(shù)值計算方法及主動流動控制研究.pdf

1、本文研究了適用于復(fù)雜非定常粘性流動的高效數(shù)值計算方法及其微射流主動流動控制技術(shù)。通過使用隱式求解、引入預(yù)處理方法、多重網(wǎng)格法等數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)展了一套適用于從不可壓縮流動到超聲速流動的 Navier-Stokes(N-S)方程統(tǒng)一求解方法和高效計算程序。在發(fā)展高效數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，開展了直升機旋翼前飛非定常粘性流動以及翼型和旋翼微射流主動流動控制的數(shù)值模擬研究，并結(jié)合N-S方程和氣動聲學Ffowcs Williams-Hawkings

2、(FW-H)方程開展了旋翼懸停和前飛氣動噪聲的高效預(yù)測方法研究。本文的研究為新型旋翼氣動和聲學設(shè)計提供了一種高效計算分析工具，并探討了一種基于MEMS技術(shù)的旋翼主動流動控制技術(shù)的實現(xiàn)途徑。 本文完成的研究工作主要表現(xiàn)在如下幾個方面： (1)發(fā)展了一套適用于定常/非定常粘性流動的全速域高效、高精度數(shù)值計算方法和計算程序(命名為PMNS3D)。在有限體積法的基礎(chǔ)上，空間離散以改進的JST格式和基于MUSCL方法的高階AU

3、SM+-up格式為主，時間推進以改進的LU-SGS格式和全隱式雙時間法為主，并引入預(yù)處理方法和多重網(wǎng)格法等高效率加速收斂技術(shù)。為了提高LU-SGS格式在粘性流動計算中的效率和穩(wěn)定性，本文引入粘性修正，給出了一種牛頓型LU-SGS迭代方法。為了提高非定常粘性流動的計算效率，發(fā)展了含牛頓型LU-SGS子迭代的全隱式雙時間法，并提出了一種采用直接LU-SGS方法進行子迭代初場預(yù)估的預(yù)報校正法。 (2)為了改善現(xiàn)有可壓縮計算方法在低馬

4、赫數(shù)流動計算中面臨的收斂困難和收斂精度低的問題，本文對矩陣預(yù)處理方法進行了深入研究，并通過與多重網(wǎng)格方法結(jié)合，發(fā)展了同時適用于從不可壓流動到超聲速流動的高效、高精度計算方法。推導(dǎo)了針對顯式時間推進和隱式時間推進以及雙時間推進格式的預(yù)處理方法，同時也發(fā)展了適用于JST格式和AUSM+格式的預(yù)處理方法。將AUSM+up空間離散格式同預(yù)處理時間推進方法相結(jié)合，發(fā)展了一種預(yù)處理AUSM+up格式，可實現(xiàn)從極低馬赫數(shù)流動(如Ma=10<'-5>)

5、到超聲速流動的高效、高精度數(shù)值模擬。通過二維/三維、定常/非定常流動數(shù)值模擬算例，表明所發(fā)展的預(yù)處理方法既能顯著提高計算效率，又能提高計算精度。 (3)研究發(fā)展了適用于N-S方程數(shù)值求解的隱式多重網(wǎng)格方法。在課題組原有的定常流動顯式多重網(wǎng)格技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展了適用于定常和非定常粘性流動的LU-SGS隱式多重網(wǎng)格技術(shù)。研究表明，隱式多重網(wǎng)格方法計算效率和計算穩(wěn)定性明顯優(yōu)于顯式多重網(wǎng)格方法。對隱式多重網(wǎng)格技術(shù)的循環(huán)方式進行了研究，總

6、結(jié)出了比較有效的多重網(wǎng)格循環(huán)方式。針對預(yù)處理方法的應(yīng)用，發(fā)展了程序改動量小、通用性強且易于實現(xiàn)的預(yù)處理多重網(wǎng)格技術(shù)，并給出了該技術(shù)的流程圖。 (4)研究發(fā)展了適用于前飛直升機旋翼非定常粘性流動計算的隱式多重網(wǎng)格方法。針對運動嵌套網(wǎng)格技術(shù)，提出了一種改進的貢獻單元搜索方法，并發(fā)展了一種高效實用的嵌套多重網(wǎng)格技術(shù)。將多重網(wǎng)格方法與含牛頓型LU-SGS子迭代的全隱式雙時間法相結(jié)合，發(fā)展了適用于前飛旋翼粘性繞流的高效數(shù)值計算方法和計算

7、程序(命名為FORWARD)。算例研究表明，本文所發(fā)展的計算方法顯著地提高了計算效率，減少了計算時間。 (5)研究發(fā)展了翼型微射流主動流動控制的數(shù)值模擬技術(shù)及相應(yīng)的控制參數(shù)優(yōu)化方法。在翼型表面施加非定常吹/吸氣邊界條件，發(fā)展了微射流與翼型干擾流動的數(shù)值分析方法。對NACA0015翼型、YLSGl07高升力翼型、VR-7B旋翼翼型的失速控制進行了數(shù)值模擬，并對OA212R旋翼翼型的動態(tài)失速控制進行了數(shù)值模擬，深入研究了零質(zhì)量射流

8、技術(shù)在翼型主動流動控制方面的控制效果、控制機理和參數(shù)影響規(guī)律。研究表明：近切向射流比法向射流具有更好的分離控制效果，可有效增加翼型升力、減小分離阻力和減小力矩絕對值；射流動量系數(shù)達到0.001以上可獲得較明顯的控制效果。為實現(xiàn)最優(yōu)控制，還提出了一種基于“代理模型”的控制參數(shù)優(yōu)化方法。該方法將均勻試驗設(shè)計與二次響應(yīng)面、Kriging模型以及徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等近似技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)造出目標函數(shù)和狀態(tài)變量的代理模型，并采用序列二次規(guī)劃方法和遺傳模擬

9、退火算法進行優(yōu)化。以NACA0015翼型和’VR-7B旋翼翼型的失速控制為例驗證了該方法的有效性。 (6)在發(fā)展前飛旋翼高效數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，開展了三維旋翼微射流控制的探索性研究。提出了三維非定常吹/吸氣邊界條件，并對懸停旋翼的定常射流控制、有升力前飛旋翼的零質(zhì)量射流增升以及前進槳激波-附面層干擾的零質(zhì)量射流控制進行了初步研究，表明主動流動控制在提高旋翼氣動性能方面具有很好的應(yīng)用前景。 (7)在國內(nèi)首次開展了結(jié)合