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《中国空气动力研究与发展中心》 2008年
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复杂外形动态混合网格生成技术及非定常计算方法研究

段旭鹏  
【摘要】: 随着军事科技的迅猛发展、军事对抗日趋激烈,对先进战斗机以及导弹的机动性能的要求越来越高。当前先进飞行器正向着高速、机动、准确、自动化、隐形等方向发展,要实现这些目标,其中的一个重要问题就是要弄清飞行器的非定常动态特性。对于非定常流动问题而言,从运动方式和流动特征来看,可以分为以下三类:一)物体静止而流动本身为非定常的流动问题,如大攻角飞行的细长体背风区的分离流动等;二)单个物体作刚性运动的非定常流动问题,如飞行器的俯仰、摇滚及其耦合运动等;三)多体作相对运动或变形运动的非定常问题,如飞机的动态弹性变形、外挂或内埋武器的发射、子母弹分离、整流罩或座舱盖的抛离、鱼类的摆动、昆虫和鸟类的扑动、变形飞机等等。第二、三类非定常运动问题广泛存在于航空、航天以及生物流领域中。由于问题本身的复杂性,风洞实验难度较大,成本也很高,因而数值模拟成为解决这两类问题的主要方法。 本文的目的是建立一种高效的动态混合网格生成方法和相应的非定常计算方法,为飞行器动态特性的数值模拟提供必要的分析手段。 数值模拟上述两类非定常运动问题首先需要解决的是动态网格如何生成的问题。我们一方面要求对于复杂外形能生成高质量的定态网格,另一方面要求随着物体边界的运动,网格能自动调整,并在整个调整过程中保持较好的网格品质。好的网格质量是得到高精度计算结果的基础。 对于此类非定常问题的数值模拟,文献中大多采用纯非结构网格方法。尽管非结构网格处理复杂外形具有独特的优越性,但也存在自身的不足,其中较为突出的一点是:对于粘性流动问题,在边界层内生成大伸展比的非结构网格本身比较困难,而且网格的质量难以保证,网格效率亦随之降低。因此,对于计算量巨大的非定常问题,显然混合网格具有更强的优势。 对于含运动边界的非定常问题,为了保证运动过程中整体的网格质量,最常用的方法是利用类“弹簧原理”对网格节点进行松弛。这种方法能够快速生成小位移或小变形问题的动态网格,但是对于大变形或大位移问题,这种方法有较大的局限性。最近,Liu和Qin发展了一种基于Delaunay背景网格的插值方法,较好地解决了中等变形问题的网格松弛问题。但是对于大位移和强切变的非定常问题,以上方法都不能保证网格质量。为了克服以上困难,本文引入了网格局部重构的思想:将Delaunay背景网格插值法和局部网格重构法相结合,建立高效高质量的动态混合网格生成方法。 本文的动态混合网格生成方法的基本思路是:首先生成变形体初始混合网格,发挥混合网格高效离散复杂外形的优势;然后利用Liu和Qin提出的基于Delaunay背景网格的插值方法对变形体附近的网格进行变形;随后对变形后的网格进行质量检测,如果变形后的网格不满足质量检测要求,则在局部重新生成网格。 利用该方法我们生成了多种变形体外形的动态混合网格,如二维情况的单个鱼体摆动、多鱼群游问题、简单翼型的俯仰运动、多段翼型副翼偏转、昆虫翼Clap-Fling运动等,以及三维情况的三角翼、双三角翼俯仰运动、类Clipper飞船的俯仰运动、外挂导弹分离等。复杂外形的动态混合网格生成实例表明本文的方法具有良好的适应性,动态网格生成质量能够保证非定常计算的有效进行。 在动态混合网格生成技术研究的基础上,进一步发展了相应的非定常计算方法。该方法将双时间步方法和隐式定常流计算方法有机结合,并引入了一种计算运动网格界面的速度计算方法,保证动网格计算的网格几何守恒率。本文利用该方法对典型定常、非定常问题进行了数值模拟,得到了与文献一致的计算结果,表明本文的非定常计算方法具有良好的计算精度,在未来实际复杂外形的非定常运动数值模拟中将有广阔的应用前景。 文本共分为六章: 第一章为引言,简要介绍了本文的研究背景,并综述了静、动态网格生成技术的研究进展以及非定常计算方法的研究进展,概述了本文的工作。 第二章重点介绍了动态混合网格生成方法,包含了动态混合网格生成的整体方案,静态混合网格生成方法,Delaunay背景网格生成方法,以及Delaunay背景网格插值法如何与局部网格重构法耦合等问题。 第三章给出了众多动态混合网格的生成实例,包括二维情况的单个鱼体摆动、多鱼群游问题、简单翼型的俯仰运动、多段翼型副翼偏转、昆虫翼Clap-Fling运动等,以及三维情况的三角翼、双三角翼俯仰运动、类Clipper飞船的俯仰运动、外挂导弹分离等。 第四章介绍了基于上述动态混合网格的非定常计算方法,包括流动控制方程,空间和时间离散方法,动网格计算的几何守恒率,边界条件的处理等等。 第五章是非定常数值方法的验证和初步应用,利用典型的定常和非定常算例对本文的非定常计算方法进行了验证,并开展了部分初步的应用。 最后是结束语,对本文的工作进行了总结。
【学位授予单位】:中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:V211

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