基于高精度算法的新型桨尖旋翼流场模拟

发布时间：2017-08-06 21:06

  本文关键词：基于高精度算法的新型桨尖旋翼流场模拟

  更多相关文章： 旋翼 气动特性 新型桨尖 桨尖涡 WENO格式 Navier-Stokes方程 运动嵌套网格方法

【摘要】：旋翼是直升机关键的气动部件,其始终工作在复杂多变的自身涡流环境中,这对直升机气动特性造成重要影响,因此旋翼流场及气动特性的分析计算一直是直升机技术领域的研究重点和难点,尤其是针对旋翼涡流场中桨尖涡的生成与演化过程的计算模拟。为提高旋翼气动性能而提出的多种不同新型旋翼桨叶气动外形,则进一步加大了旋翼涡流场及气动特性模拟的难度。本文以此为研究背景,开展了新型桨尖旋翼流场的高精度CFD算法研究,具体内容如下:作为前提和背景,第一章主要阐述了旋翼CFD方法、新型桨尖旋翼和高精度算法的国内外研究现状,指出了开展针对新型桨尖旋翼流场及气动特性模拟的高精度算法研究的重要意义,并给出了本文的主要研究内容。第二章,考虑到新型桨尖旋翼的复杂气动外形,基于Poisson方程求解方法,构建了一套适合于新型桨尖旋翼的参数化网格生成方法。以此为基础,考虑桨叶的旋转、挥舞、变距等运动,建立了满足旋翼前飞非定常流场模拟的运动嵌套网格方法;采用了“扰动衍射”方法和Inverse map方法,解决了运动嵌套网格技术中的洞单元识别和贡献单元搜索的关键问题。第三章,基于三维可压RANS方程和一方程S-A湍流模型,建立了一套适合于旋翼非定常流场模拟的CFD方法。其中,为降低非物理数值耗散,采用了ROE格式对无粘通量进行离散;采用双时间方法进行物理时间和伪时间的推进,其中伪时间的迭代采用了高效的隐式LU-SGS算法;同时采用了OpenMP并行技术来进一步提高旋翼非定常流场的计算效率。第四章,为提高旋翼流场计算算法的精度和降低对流通量计算格式的数值耗散,研究了高精度WENO格式的构造。从一维双曲守恒方程出发,通过对WENO格式的网格模板的选取、插值多项式的构造、权重系数的选择和光滑性系数的计算,推导出高精度WENO格式的构造格式,并将其应用于ROE格式左右变量的重构中。对典型二维旋翼翼型和三维机翼算例进行了计算,验证了WENO格式的较高分辨率和较低数值耗散特性。第五章,运用建立的高精度CFD方法,分别对悬停和前飞状态多种不同旋翼(包括常规旋翼和新型桨尖旋翼)气动特性和涡流场进行了计算模拟。通过与试验值和低阶数值格式JST、ROE-MUSCL格式的计算结果的对比,表明了高精度CFD方法在旋翼流场及气动特性模拟方法的优势。第六章,并以UH-60A旋翼为基准旋翼,运用上述建立的高精度旋翼CFD方法,开展悬停和前飞状态下旋翼桨尖外形参数(后掠、尖削和下反)对旋翼涡流场和气动特性的影响分析,获得了桨尖外形对旋翼气动特性及流场的影响规律。
【关键词】：旋翼 气动特性 新型桨尖 桨尖涡 WENO格式 Navier-Stokes方程 运动嵌套网格方法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.52
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 旋翼流场数值模拟研究进展15-17
• 1.2.2 高精度格式研究进展17
• 1.2.3 新型桨尖旋翼研究进展17-18
• 1.3 本文的主要研究工作18-20
• 第二章 适用于新型桨尖外形的网格生成方法20-28
• 2.1 引言20-21
• 2.2 二维翼型贴体网格生成方法21-23
• 2.3 三维旋翼贴体网格生成方法23
• 2.4 旋翼运动嵌套网格方法23-27
• 2.4.1 洞单元识别方法24-26
• 2.4.2 贡献单元搜索方法26-27
• 2.5 小结27-28
• 第三章 高效的旋翼非定常数值模拟方法28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 旋翼非定常流场控制方程28-30
• 3.2.1 坐标变换28-29
• 3.2.2 旋翼流场控制方程29-30
• 3.2.3 流场控制方程无量纲化30
• 3.3 高精度空间离散方法30-33
• 3.3.1 对流通量计算方法31-32
• 3.3.2 粘性通量计算方法32-33
• 3.4 非定常高效时间离散方法33-34
• 3.4.1 双时间推进方法33
• 3.4.2 隐式LU-SGS伪时间推进方法33-34
• 3.5 湍流模型34-35
• 3.6 边界条件与加速技术35-38
• 3.6.1 物面边界条件35-36
• 3.6.2 远场边界条件36-37
• 3.6.3 虚拟边界37
• 3.6.4 周期边界条件37-38
• 3.6.5 并行加速方法38
• 3.7 小结38-39
• 第四章 高精度的插值格式构造39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 WENO格式的构造过程39-42
• 4.2.1 插值模板选择40-41
• 4.2.2 加权因子选择41-42
• 4.3 五阶WENO格式的构造形式42-44
• 4.4 三阶MUSCL格式的构造形式44-45
• 4.5 WENO格式的初步应用45-47
• 4.6 小结47-49
• 第五章 高精度格式在旋翼流场模拟中的应用49-72
• 5.1 引言49
• 5.2 旋翼流场计算架构49-50
• 5.3 高阶WENO格式在悬停涡流场中的应用50-60
• 5.3.1 C-T旋翼流场模拟50-53
• 5.3.2 Helishape 7A旋翼流场模拟53-56
• 5.3.3 UH-60A旋翼流场模拟56-60
• 5.4 高阶WENO格式在旋翼前飞涡流场中的应用60-71
• 5.4.1 C-T旋翼流场模拟60-62
• 5.4.2 SA349/2 旋翼流场模拟62-66
• 5.4.3 UH-60A旋翼流场模拟66-70
• 5.4.4 计算时间对比70-71
• 5.5 小结71-72
• 第六章 基于高精度算法的新型桨尖旋翼参数影响分析72-89
• 6.1 引言72
• 6.2 悬停状态的对比72-82
• 6.2.1 前后掠桨尖参数影响72-76
• 6.2.2 尖削桨尖参数影响76-79
• 6.2.3 下反桨尖参数影响79-82
• 6.3 前飞状态的对比82-87
• 6.4 小结87-89
• 第七章 研究工作总结及展望89-92
• 7.1 本文研究工作总结89-90
• 7.2 本文的主要创新点90-91
• 7.3 进一步的研究工作及展望91-92
• 参考文献92-96
• 致谢96-97
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文97

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵国庆;招启军;吴琪;;旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法[J];航空动力学报;2015年03期

2 招启军,徐国华;使用高阶逆风通量差分裂格式的悬停旋翼流场数值模拟[J];航空动力学报;2005年02期

3 王适存,徐国华;直升机旋翼空气动力学的发展[J];南京航空航天大学学报;2001年03期

4 徐国华,王适存;具有后掠桨尖的旋翼气动特性计算方法[J];空气动力学学报;1999年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐丽;直升机旋翼非定常流动的低耗散高精度数值方法研究[D];上海大学;2010年

，

本文编号：631420