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基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性数值模拟

陈龙  
【摘要】:基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性数值模拟方法是直升机空气动力学研究的重点和难点之一。本文针对其中的关键问题,发展了适用于直升机旋翼流场数值模拟的高效CFD方法和旋翼桨叶结构动力模型,建立了考虑旋翼配平和弹性的CFD/CSD耦合数值模拟方法,并开发了相应的通用计算程序。 发展了一套适用于可压/不可压、定常/非定常粘性流场的高效、统一的数值模拟方法。以混合网格有限体积法为基础,使用Median-Dual格点格式离散控制体,空间离散为二阶精度。对流通量计算格式有JST、Roe和HLLC等格式。湍流模型包含一方程SA模型和两方程SST模型,并加入DES和物面函数选项。时间离散采用LU-SGS和二阶时间精度的双时间步长方法,并引入低速预处理加速收敛技术。研究发展了适用于旋翼桨叶、固定翼飞行器弹性变形的Delaunay图映射新型动网格方法,并结合对辅助点的弹簧变形,提高该方法的变形效率和网格质量。发展了格点格式滑移网格方法,以适应旋翼前飞条件下的数值模拟需要。针对并行计算环境、混合/非结构网格区域分裂方法、分区边界处理策略、隐式并行方法进行研究,发展了一套基于隐式Hybrid LU-SGS方法的高效并行计算技术。通过若干算例对精度、收敛性、隐式LU-SGS收敛效率、并行加速比、并行效率、数值格式、湍流模型、低速预处理方法、动网格方法和滑移网格方法进行验证。 耦合CFD方法和结构模态方程进行气动弹性数值模拟研究。结合CFD/CSD耦合过程中采用的力和位移精确插值的薄平板样条法、无限平板样条法、常体积转换法,讨论了CFD/CSD耦合策略中松耦合、紧耦合和改进松耦合对颤振边界预测的影响。并考核AGARD 445.6机翼静气弹和颤振算例。计算结果表明RANS计算得到的颤振边界要优于使用Euler计算得到的结果,这种优势在跨声速和超声速段表现得尤为突出。 桨叶结构模型可认为是耦合挥舞、摆振、弹性扭转和轴向变形运动的非线性中等变形梁。引入无量纲原则和量级约定推导并建立了桨叶非线性动力学方程。基于哈密顿原理分别对空间和时间进行有限元离散,从而进行桨叶响应的求解。 通过旋翼稳态飞行的受力平衡推导出旋翼飞行配平方程,并给出配平方程的求解方法。发展了基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性计算方法,使用松耦合在以旋转周期(每周期或每次桨叶滑过)为单位进行旋翼流场气动力和结构响应的数据交换,经过若干周期迭代得到配平的稳态结果。通过悬停和前飞算例对本文所发展的耦合程序进行验证。数值模拟结果表明旋翼非定常流场的精确分析是需要考虑桨叶弹性效应的。


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