复杂流场的非定常气动力计算以及气动弹性研究

摘要

该文的主要工作是利用计算流体力学(CFD)方法,数值模拟机翼和全机的定常及非定常粘性绕流,并在此基础上耦合结构动力学方程研究了飞行器的多种气动弹性问题.最后对以上气动弹性问题的数值计算进行了基于微机网络的分布式并行计算研究.利用代数无限插值方法,生成适合非定常有粘流动计算用的贴体运动结构网格,从三维非定常Navier-Stokes方程组出发,采用LU-NND有限差分格式和Baldwin-Lomax湍流模型建立了一种数值模拟三维机翼和全机的亚、跨、超音速定常及非定常粘性绕流的计算方法和程序.在模拟定常粘性绕流的基础上,耦合结构静平衡方程,对机翼的静气动弹性问题进行了研究,并在此基础上创新性地提出了多学科、多目标的型架外形优化设计和飞行姿态确定方案.在模拟非定常粘性绕流的基础上,与颤振运动方程相耦合,分别对机翼和全机流固耦合现象中颤振问题进行了研究,准确求解跨音速颤振临界速度,分析机翼和全机的从亚音速到超音速范围的颤振规律,并研究分析了机翼飞行迎角变化对颤振速度的影响.以多种机翼和某歼击机为算例,分别对其定常及非定常粘性绕流进行了数值模拟.分别以某后掠机翼和超临界机翼为算例,对机翼的静气动弹性问题以及基于静气动弹性的型架外形优化设计和飞行姿态确定进行研究,计算结果和有关文献的结果进行了比较,吻合很好.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2计算空气动力学的发展、现状和前景

1.3飞行器气动弹性研究的现状和前景

1.4计算流体力学和气动弹性研究并行计算的发展和现状

1.5本文工作重点

第二章三维运动网格的生成

2.1代数网格的无限插值生成方法

2.2网格的优化

2.2.1网格的正交优化

2.2.2网格的加权平均光顺

2.3整体网格的分裂

2.4非定常流场计算中的网格重新生成方法

2.5网格生成算例

2.6小结

2.7附图

第三章计算空气动力的Navier-Stokes方程解

3.1控制方程

3.2几何守恒定律

3.3时间离散格式

3.4差分格式

3.5边界条件

3.6分布式并行计算块重叠边界条件的处理

3.7湍流模型

3.8算例分析

3.9小结

3.10附图

第四章飞行器气动弹性问题的研究

4.1概述

4.2静气动弹性问题的研究

4.2.1机翼柔度影响的计算

4.2.2求解飞行器静气动弹性特性的基本方法

4.2.3机翼型架外形优化设计

4.2.4保持总升力不变的机翼飞行姿态确定

4.3飞行器的颤振特性研究

4.3.1计算方法

4.3.2时间步长的选取

4.4算例分析

4.4.1三维机翼的静气动弹性研究

4.4.2机翼型架外形设计研究

4.4.3保持总升力不变的机翼飞行姿态确定

4.4.3机翼和全机的颤振特性研究

4.5小结

4.6附图

第五章飞行器气动弹性的分布式并行计算

5.1概述

5.2并行计算模式

5.3分布式并行计算的基本模式

5.4基于消息传递的SPMD并行程序编程

5.5负载平衡的基本方法

5.6网络分布式并行计算的加速比及并行效率

5.7分布式并行计算的运行环境

5.8三维多块非定常流动计算程序在分布式环境下并行的具体实现

5.8.1并行的目标

5.8.2运行环境

5.8.3程序并行方法

5.8.3负载均衡问题

5.8.4通信问题

5.9算例计算与结果分析

5.10小结

5.11附图

第六章结束语

6.1本文工作总结

6.2本文的主要创新点

6.3下一步工作设想

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文、攻读博士学位期间被索引论文及和攻读博士学位期间参加的课题

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