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旋翼绕流的高效数值计算方法及主动流动控制研究

作　者: 韩忠华
导　师: 乔志德
学　校: 西北工业大学
专　业: 流体力学
关键词: Navier-Stokes方程预处理方法多重网格方法主动流动控制零质量射流旋翼气动噪声
分类号: O355
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文研究了适用于复杂非定常粘性流动的高效数值计算方法及其微射流主动流动控制技术。通过使用隐式求解、引入预处理方法、多重网格法等数值模拟技术，发展了一套适用于从不可压缩流动到超声速流动的Navier-Stokes（N-S）方程统一求解方法和高效计算程序。在发展高效数值模拟技术基础上，开展了直升机旋翼前飞非定常粘性流动以及翼型和旋翼微射流主动流动控制的数值模拟研究，并结合N-S方程和气动声学Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程开展了旋翼悬停和前飞气动噪声的高效预测方法研究。本文的研究为新型旋翼气动和声学设计提供了一种高效计算分析工具，并探讨了一种基于MEMS技术的旋翼主动流动控制技术的实现途径。本文完成的研究工作主要表现在如下几个方面：（1）发展了一套适用于定常／非定常粘性流动的全速域高效、高精度数值计算方法和计算程序（命名为PMNS3D）。在有限体积法的基础上，空间离散以改进的JST格式和基于MUSCL方法的高阶AUSM+-up格式为主，时间推进以改进的LU-SGS格式和全隐式双时间法为主，并引入预处理方法和多重网格法等高效率加速收敛技术。为了提高LU-SGS格式在粘性流动计算中的效率和稳定性，本文引入粘性修正，给出了一种牛顿型LU-SGS迭代方法。为了提高非定常粘性流动的计算效率，发展了含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法，并提出了一种采用直接LU-SGS方法进行子迭代初场预估的预报校正法。（2）为了改善现有可压缩计算方法在低马赫数流动计算中面临的收敛困难和收敛精度低的问题，本文对矩阵预处理方法进行了深入研究，并通过与多重网格方法结合，发展了同时适用于从不可压流动到超声速流动的高效、高精度计算方法。推导了针对显式时间推进和隐式时间推进以及双时间推进格式的预处理方法，同时也发展了适用于JST格式和AUSM+格式的预处理方法。将AUSM+-up空间离散格式同预处理时间推进方法相结合，发展了一种预处理AUSM+-up格式，可实现从极低马赫数流动(如Ma=10^-5)到超声速流动的高效、高精度数值模拟。通过二维／三维、定常／非定常流动数值模拟算例，表明所发展的预处理方法既能显著提高计算效率，又能提高计算精度。（3）研究发展了适用于N-S方程数值求解的隐式多重网格方法。在课题组原有的定常流动显式多重网格技术基础上，发展了适用于定常和非定常粘性流动的LU-SGS隐式多重网格技术。研究表明，隐式多重网格方法计算效率和计算稳定性明显优于显式多重网格方法。对隐式多重网格技术的循环方式进行了研究，总结出了比较有效的多重网格循环方式。针对预处理方法的应用，发展了程序改动量小、通用性强且易于实现的预处理多重网格技术，并给出了该技术的流程图。（4）研究发展了适用于前飞直升机旋翼非定常粘性流动计算的隐式多重网格方法。针对运动嵌套网格技术，提出了一种改进的贡献单元搜索方法，并发展了一种高效实用的嵌套多重网格技术。将多重网格方法与含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法相结合，发展了适用于前飞旋翼粘性绕流的高效数值计算方法和计算程序（命名为FORWARD）。算例研究表明，本文所发展的计算方法显著地提高了计算效率，减少了计算时间。（5）研究发展了翼型微射流主动流动控制的数值模拟技术及相应的控制参数优化方法。在翼型表面施加非定常吹／吸气边界条件，发展了微射流与翼型干扰流动的数值分析方法。对NACA0015翼型、YLSG107高升力翼型、VR-7B旋翼翼型的失速控制进行了数值模拟，并对OA212R旋翼翼型的动态失速控制进行了数值模拟，深入研究了零质量射流技术在翼型主动流动控制方面的控制效果、控制机理和参数影响规律。研究表明：近切向射流比法向射流具有更好的分离控制效果，可有效增加翼型升力、减小分离阻力和减小力矩绝对值；射流动量系数达到0.001以上可获得较明显的控制效果。为实现最优控制，还提出了一种基于“代理模型”的控制参数优化方法。该方法将均匀试验设计与二次响应面、Kriging模型以及径向基神经网络等近似技术相结合，构造出目标函数和状态变量的代理模型，并采用序列二次规划方法和遗传模拟退火算法进行优化。以NACA0015翼型和VR-7B旋翼翼型的失速控制为例验证了该方法的有效性。（6）在发展前飞旋翼高效数值模拟方法的基础上，开展了三维旋翼微射流控制的探索性研究。提出了三维非定常吹／吸气边界条件，并对悬停旋翼的定常射流控制、有升力前飞旋翼的零质量射流增升以及前进桨激波-附面层干扰的零质量射流控制进行了初步研究，表明主动流动控制在提高旋翼气动性能方面具有很好的应用前景。（7）在国内首次开展了结合RANS方程和可穿透数据面FW-H方程(简称RANS／FW-H_pds方法)的直升机旋翼气动噪声预测方法研究。首先通过RANS方程数值模拟获得旋翼近场噪声，然后通过求解FW-H_pds方程得到远场气动噪声。悬停旋翼和前飞旋翼气动噪声算例研究表明，RANS／FW-H_pds方法能更准确地预测高速脉冲（HSI）噪声，并具有一定桨涡干扰噪声预测能力。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-32
  1.1 研究背景  11-14
    1.1.1 旋翼绕流高效数值计算方法研究背景  11-13
    1.1.2 主动流动控制技术研究背景  13-14
  1.2 国内外研究概况  14-27
    1.2.1 旋翼CFD技术发展概况  14-20
    1.2.2 微射流主动流动控制技术的研究概况  20-27
  1.3 本文研究意义和目的  27-28
  1.4 本文的主要工作及论文组织  28-32
第二章流动控制方程及其求解  32-60
  2.1 流动控制方程  32-35
  2.2 方程组的无量纲化  35
  2.3 高精度空间离散格式  35-47
    2.3.1 改进的Jameson中心格式  37-40
    2.3.2 高阶AUSM类格式  40-45
    2.3.3 边界条件  45-47
  2.4 高效时间推进格式  47-56
    2.4.1 Runge-Kutta混合多步格式  47-49
    2.4.2 改进的LU-SGS高效隐式方法  49-52
    2.4.3 改进的“双时间”推进方法  52-56
  2.5 加速收敛技术  56
  2.6 湍流模型  56-58
  2.7 其它问题  58-59
    2.7.1 当地时间步长  58-59
    2.7.2 残值计算与收敛判据  59
  2.8 本章小结  59-60
第三章基于预处理多重网格技术的高效计算方法及应用  60-98
  3.1 预处理方法  61-70
    3.1.1 预处理方法发展简要回顾  61-62
    3.1.2 预处理控制方程及其特征系统  62-66
    3.1.3 中心格式预处理方法  66-67
    3.1.4 AUSM+和AUSM+-up格式的预处理方法  67-70
  3.2 多重网格方法  70-77
    3.2.1 多重网格法的基本思想  70-71
    3.2.2 多重网格法中非线性方程的全近似格式(FAS格式)  71-72
    3.2.3 FAS多重网格法在本文中的应用  72-77
  3.3 预处理多重网格方法的计算流程图  77-78
  3.4 算例与分析  78-96
    3.4.1 隐式多重网格方法加速收敛效果的研究  78-82
    3.4.2 中心格式预处理方法对定常计算收敛性能的影响  82-88
    3.4.3 迎风格式预处理对定常计算收敛性能的影响  88-90
    3.4.4 预处理多重网格技术在非定常流动计算中的应用  90-96
  3.5 本章小结  96-98
第四章隐式多重网格方法在前飞旋翼绕流数值模拟中的应用  98-127
  4.1 运动嵌套网格方法  98-105
    4.1.1 网格系统  98-100
    4.1.2 嵌套网格系统中网格单元分类及边界条件  100-101
    4.1.3 洞边界的确定  101-102
    4.1.4 贡献单元的搜索方法  102-104
    4.1.5 贡献单元搜索方法的改进  104-105
  4.2 运动嵌套多重网格方法  105-107
  4.3 旋翼的运动及坐标变换  107-109
    4.3.1 旋翼的运动  107-108
    4.3.2 坐标变换  108-109
  4.4 数值方法  109-112
    4.4.1 控制方程  109-110
    4.4.2 空间离散和时间推进  110
    4.4.3 初始条件和边界条件  110-111
    4.4.4 计算流程图  111-112
  4.5 算例及分析  112-126
    4.5.1 算例1: 贡献单元搜索方法的改进  112
    4.5.2 算例2: Caradonna悬停旋翼  112-115
    4.5.3 算例3: NASA旋翼无升力前飞  115-121
    4.5.4 算例4: Caradonna旋翼有升力前飞  121-123
    4.5.5 算例5: AH-1G/OLS有升力前飞旋翼  123-126
  4.6 本章小结  126-127
第五章直升机旋翼翼型的微射流主动控制研究  127-172
  5.1 数值方法  127-129
  5.2 翼型微射流主动控制数值模拟方法的验证  129-131
  5.3 NACA0015翼型失速控制及参数影响研究  131-134
  5.4 YLSG107翼型失速控制  134-142
    5.4.1 基准状态的计算  135-137
    5.4.2 零质量射流控制的数值模拟  137-139
    5.4.3 法向射流与近切向射流的比较  139-142
  5.5 VR-7B旋翼翼型分离控制  142-153
  5.6 OA212R旋翼翼型动态失速控制  153-158
    5.6.1 基准状态的计算  154-155
    5.6.2 动态失速控制的数值模拟  155-158
  5.7 翼型主动流动控制的参数优化方法研究  158-170
    5.7.1 基于“代理模型”的流动控制参数优化技术  158-162
    5.7.2 算例1: NACA0015翼型控制参数优化  162-164
    5.7.3 算例2: VR-7B直升机旋翼翼型控制参数优化  164-170
  5.8 本章小结  170-172
第六章直升机旋翼绕流主动控制的初步研究  172-188
  6.1 数值分析方法  172-174
  6.2 悬停旋翼流动控制的数值模拟  174-177
  6.3 前飞旋翼零质量射流增升的数值模拟  177-180
  6.4 前飞旋翼前进桨叶激波-附面层干扰控制  180-187
    6.4.1 基准状态计算  180-184
    6.4.2 零质量射流控制  184-187
  6.5 本章小结  187-188
第七章基于RANS/FW-H_(PDS)方法的直升机旋翼气动噪声预测方法研究  188-201
  7.1 气动分析方法  189-190
    7.1.1 悬停绕流数值计算  189-190
    7.1.2 前飞绕流数值计算  190
  7.2 声学分析方法  190-194
    7.2.1 FW-H_(pds)方程及其求解  190-192
    7.2.2 可穿透数据面的构造  192-193
    7.2.3 延迟时方程求解  193
    7.2.4 声学积分公式的数值求解  193-194
  7.3 RANS/FW-H_(PDS)方法的计算流程图  194-195
  7.4 算例与分析  195-200
    7.4.1 悬停噪声预测  195-198
    7.4.2 前飞噪声预测  198-200
  7.5 本章小结  200-201
第八章总结与展望  201-205
  8.1 工作总结  201-204
  8.2 研究工作展望  204-205
参考文献  205-215
攻读博士学位期间论文发表及参见科研情况  215-217
攻读博士学位期间所获奖励  217-218
致谢  218-219

旋翼绕流的高效数值计算方法及主动流动控制研究

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