飞机结冰数值模拟中的网格重构及多物理场耦合方法研究

论文摘要

结冰是飞机飞行过程中普遍存在的一种自然现象,给飞机飞行带来重大安全隐患,严重时导致坠机事故发生,飞机结冰问题已成为航空界的一个重要的研究课题。由于受实验成本、实验条件等因素影响,一定程度上限制了基于结冰风洞的实验方法以及飞行试验方法的应用。随着计算机技术和数值计算方法的发展,基于CFD方法的数值模拟成为研究飞机结冰问题重要的研究手段。由于结冰后结构几何外形往往变得比较复杂,对CFD方法中的网格重构方法提出了很高要求。同时,结冰过程的计算需要耦合CFD求解器、结冰热力学求解器进行仿真,迫切需要适用于大规模并行计算的多物理场耦合方法。本文针对上述两个问题进行研究,研究结冰后流场网格重构方法,以改善网格的质量,进而实现多步积冰后较好的预测冰层形状。研究结冰过程中多物理场耦合方法是将流场计算模块、结冰计算模块和网格重构模块耦合起来,协调模块间的数据传递和同步,实现多种软件之间的高效耦合计算。本文的研究工作主要包括:1.开发了基于拉格朗日方法的水滴轨迹、碰撞和收集系数求解程序;采用经典Messinger结冰热力学模型,通过质量守恒和能量守恒方程,编写了计算结冰厚度和翼型边界点的位移的程序,并进行了验证。2.针对结冰后的物面边界需要重新进行网格重构问题,发展了一种基于扩散方程的动网格计算方法,采用扩散方程描述结点位移,使用有限元方法计算结点在不同方向上的位移,分析了结点位移之间不耦合的原因,通过引入结点旋转方法,改善网格质量差,该方法通过自编程序实现。3.基于远程过程调用技术,在多物理场耦合平台上,将CFD、结冰计算程序和网格重构程序结合起来计算,实现各计算模块之间的数据传递和同步,以加速结冰数值仿真速度。4.完成了典型结冰算例的验证,结果表明,本文方法和计算程序具有较好的计算精度和适应性。

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致谢

摘要

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第一章绪论

1.1 引言

1.1.1 飞机结冰现象

1.1.2 结冰对飞机性能的影响

1.2 结冰研究方法

1.2.1 工程估算方法

1.2.2 实验方法

1.2.3 数值模拟方法

1.3 国内外飞机结冰数值模拟研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文的研究内容与安排

第二章结冰过程流场和水滴撞击特性数值计算方法

2.1 引言

2.2 空气流场计算方法

2.2.1 控制方程

2.2.2 空间离散

2.2.3 时间离散

2.2.4 边界条件

2.3 水滴撞击特性计算方法

2.3.1 水滴运动轨迹方程

2.3.2 水滴运动方程求解方法

2.4 建立结冰热力学物理模型

2.4.1 质量守恒方程

2.4.2 能量守恒方程

2.4.3 守恒方程相关参数计算方法

2.4.4 冻结系数计算方法

2.4.5 结冰形状计算

2.5 本章小结

第三章网格重构方法研究

3.1 引言

3.2 基于扩散方程的动网格方法

3.2.1 扩散方程计算方法

3.2.2 有限元方法

3.2.3 结点旋转方法

3.3 动网格计算流程

3.4 数值算例

3.4.1 二维旋转变形

3.4.2 球体旋转变形

3.4.3 三维弯曲变形

3.5 本章小结

第四章多物理场耦合数据传递方法研究

4.1 引言

4.2 基于PRC技术的数据交互技术

4.3 耦合平台架构和设计

4.4 算例验证

4.5 本章小结

第五章结冰数值模拟算例分析

5.1 引言

5.2 空气流场计算验证

5.3 水滴撞击特性计算

5.3.1 飞行速度的影响

5.3.2 水滴直径的影响

5.3.3 翼型弦长的影响

5.4 结冰算例验证

5.4.1 NACA0012 翼型算例验证

5.4.2 NACA0015 翼型算例验证

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录1

在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 葛杨俊

导师: 张兵,鲁国富

关键词: 飞机结冰,网格重构,多物理场耦合,计算流体力学,数值模拟

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程

单位: 合肥工业大学

分类号: V321.229;V244.15

DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000274

总页数: 82

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