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机翼数值优化设计中的高效气动计算方法研究

何光洪  
【摘要】: 基于CFD的气动优化设计已成为当前计算流体力学研究的一个重要领域,很多优化方法已被成功的运用于翼型、机翼和全机的气动外形设计,并取得了明显效益。但气动优化设计要能作为一个工具真正应用到工程实际中,除了要改进设计方法和提高流动方程求解精度外,流动方程的求解效率也是一个亟待解决的问题。通常优化设计需要成百上千次的调用流场求解程序,运用更准确的流动控制方程,如Navier-Stokes方程,进行设计会带来巨大的计算花费,这给方法的研究和实际地运用带来了很大的困难。另外,流动方程的求解效率对于非定常问题的解也至关重要。本文采用了多重网格法和并行计算来提高求解效率,主要研究工作如下: 1.在二维Euler方程、二维薄层N-S方程、三维Euler方程和三维薄层N-S方程的数值计算中研究运用了高效率的多重网格法计算技术。控制方程空间离散采用格心格式有限体积法,时间积分运用Runge-Kutta法,湍流模型采用Baldwin-Lomax模型。 2.研究了多重网格法的插值算子,循环迭代次数和循环方式对计算结果和计算效率的影响,给出了一种非常有效的多重网格法迭代方式。 3.实现了基于MPI和微机群环境的三维薄层N-S方程的并行计算,研究了并行计算的效率问题。 选用了两种翼型、M6机翼、M100的机翼、某三角翼和DLR-F4翼身组合体等多个算例对本文多重网格法进行了验证。算例表明,多重网格法具有十分明显的加速作用(加速比达3~6.3),同时有较强的鲁棒性,值得大规模的推广。两种并行环境中的并行计算表明,分布式网络微机并行计算可以有较高的并行效率和计算速度。


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