旋翼繞流的高效數(shù)值計(jì)算方法及主動(dòng)流動(dòng)控制研究.pdf

1、本文研究了適用于復(fù)雜非定常粘性流動(dòng)的高效數(shù)值計(jì)算方法及其微射流主動(dòng)流動(dòng)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(dòng)到超聲速流動(dòng)的 Navier-Stokes(N-S)方程統(tǒng)一求解方法和高效計(jì)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(jī)旋翼前飛非定常粘性流動(dòng)以及翼型和旋翼微射流主動(dòng)流動(dòng)控制的數(shù)值模擬研究，并結(jié)合N-S方程和氣動(dòng)聲學(xué)Ffowcs Williams-Hawkings

2、(FW-H)方程開展了旋翼懸停和前飛氣動(dòng)噪聲的高效預(yù)測(cè)方法研究。本文的研究為新型旋翼氣動(dòng)和聲學(xué)設(shè)計(jì)提供了一種高效計(jì)算分析工具，并探討了一種基于MEMS技術(shù)的旋翼主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑。 本文完成的研究工作主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： (1)發(fā)展了一套適用于定常/非定常粘性流動(dòng)的全速域高效、高精度數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)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(jìn)的JST格式和基于MUSCL方法的高階AU

3、SM+-up格式為主，時(shí)間推進(jìn)以改進(jìn)的LU-SGS格式和全隱式雙時(shí)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(dòng)計(jì)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(dòng)的計(jì)算效率，發(fā)展了含牛頓型LU-SGS子迭代的全隱式雙時(shí)間法，并提出了一種采用直接LU-SGS方法進(jìn)行子迭代初場(chǎng)預(yù)估的預(yù)報(bào)校正法。 (2)為了改善現(xiàn)有可壓縮計(jì)算方法在低馬

4、赫數(shù)流動(dòng)計(jì)算中面臨的收斂困難和收斂精度低的問題，本文對(duì)矩陣預(yù)處理方法進(jìn)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(shí)適用于從不可壓流動(dòng)到超聲速流動(dòng)的高效、高精度計(jì)算方法。推導(dǎo)了針對(duì)顯式時(shí)間推進(jìn)和隱式時(shí)間推進(jìn)以及雙時(shí)間推進(jìn)格式的預(yù)處理方法，同時(shí)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(shí)間推進(jìn)方法相結(jié)合，發(fā)展了一種預(yù)處理AUSM+up格式，可實(shí)現(xiàn)從極低馬赫數(shù)流動(dòng)(如Ma=10<'-5>)

5、到超聲速流動(dòng)的高效、高精度數(shù)值模擬。通過二維/三維、定常/非定常流動(dòng)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(jì)算效率，又能提高計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jì)算效率和計(jì)算穩(wěn)定性明顯優(yōu)于顯式多重網(wǎng)格方法。對(duì)隱式多重網(wǎng)格技術(shù)的循環(huán)方式進(jìn)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(duì)預(yù)處理方法的應(yīng)用，發(fā)展了程序改動(dòng)量小、通用性強(qiáng)且易于實(shí)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(jī)旋翼非定常粘性流動(dòng)計(jì)算的隱式多重網(wǎng)格方法。針對(duì)運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格技術(shù)，提出了一種改進(jìn)的貢獻(xiàn)單元搜索方法，并發(fā)展了一種高效實(shí)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(shí)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(jì)算方法和計(jì)算

7、程序(命名為FORWARD)。算例研究表明，本文所發(fā)展的計(jì)算方法顯著地提高了計(jì)算效率，減少了計(jì)算時(shí)間。 (5)研究發(fā)展了翼型微射流主動(dòng)流動(dòng)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(dòng)的數(shù)值分析方法。對(duì)NACA0015翼型、YLSGl07高升力翼型、VR-7B旋翼翼型的失速控制進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)OA212R旋翼翼型的動(dòng)態(tài)失速控制進(jìn)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(dòng)流動(dòng)控制方面的控制效果、控制機(jī)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(duì)值；射流動(dòng)量系數(shù)達(dá)到0.001以上可獲得較明顯的控制效果。為實(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)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(biāo)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(jìn)行優(yōu)化。以NACA0015翼型和’VR-7B旋翼翼型的失速控制為例驗(yàn)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(duì)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(jìn)槳激波-附面層干擾的零質(zhì)量射流控制進(jìn)行了初步研究，表明主動(dòng)流動(dòng)控制在提高旋翼氣動(dòng)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