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基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法程载恒;陈荣亮;孙哲【摘要】在现代飞行器设计中,数值模拟方法以低成本、高效率和高灵活性等优点成为研究飞行器空气动力学的重要方法.在旋翼型无人机流场模拟中,由于旋翼与机身存在相互作用,为获得精确模拟结果需要对整个无人机的流场进行模拟,因此,有效地模拟旋翼与机身的相对运动是实现成功模拟的关键步骤,这使得此类模拟问题极具挑战性.文章设计了一套求解旋翼型无人机空气动力学数值模拟问题的基于非结构滑移网格技术的高可扩展并行计算方法.该方法对控制方程的离散,在空间方向采用非结构移动网格有限元方法,时间推进采用全隐式二阶向后差分格式,最后采用一种并行Newton-Krylov-Schwarz方法求解离散后的非线性方程组.作为应用,文章对一个真实旋翼型无人机模型在悬停状态下的外流场进行了数值模拟,获得了一些非常详细的流场信息.数值结果显示,算法在天河2号上使用4 096个处理器核时仍具有接近线性的并行加速比,这为下一步开展旋翼型无人机的高保真度快速模拟奠定了良好的基础.【期刊名称】《集成技术》【年(卷),期】2017(006)003【总页数】10页(P82-91)【关键词】并行流体计算;非结构网格;滑移网格技术;旋翼型无人机;区域分解算法【作者】程载恒;陈荣亮;孙哲【作者单位】江西师范大学数学与信息科学学院南昌 330022;中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055;江西师范大学数学与信息科学学院南昌 330022【正文语种】中文【中图分类】O241.82;O246旋翼型无人机全流场的高保真度数值模拟是当前计算流体力学领域极具挑战性和重要意义的研究方向。
与传统的非旋翼型飞行器空气动力学分析问题相比，此类问题的挑战主要体现在以下几个方面:(1)旋翼与机身之间的相对运动涉及移动网格、相对运动模拟、多物理量高精度插值等多种方法的耦合；(2)无人机复杂的外形导致其计算网格十分复杂且网格量巨大；(3)旋翼和机身之间的相互作用导致其流场结构极为复杂。
基于CFD的翼型绕流数值模拟摘要：本文重点介绍使用FLUENT软件包模拟流体流动的现象，包括使用GAMBIT进行二维的图形对象绘制，计算域的网格划分技术以及边界条件的设定，利用FLUENT求解定常或非定常，二维或三维，外流或内流，可压缩或不可压缩等各种流场流动的物理现象。
结合相关实例，熟悉GAMBIT的建模技巧和网格划分技术，运用FLUENT计算各种流场的操作和计算结果的后处理以及动画制作等技术。
关键词：FLUENT；流体流动；GAMBIT；建模；网格划分；边界条件；后处理0 引言自然界和工程问题中遇到的流动现象多种多样，根据不同的分类方法，可以分为层流和湍流，二维流动和三维流动，可压缩流动和不可压缩流动，定常流动和非定常流动等。
实际问题中以湍流现象较为普遍。
直到目前为止，还没有一个通用的湍流模型可以解决所有的工程湍流问题，所以选择湍流模型的时候需要注意具体问题具体分析，例如流动物理现象的特点、计算精度的要求、计算能力、计算时间要求等。
进而，根据所需解决问题的特点选择最合适的湍流模型。
我们将利用GAMBIT进行建模并熟悉过程中的操作技巧，例如各种生成体的方法，还有网格划分的技术，例如视对象的复杂程度选择生成结构化或非结构化的网格。
我们通过实战操作的学习，可以迅速掌握解决实际问题的基本思路和基本方法，以下我们就实例二维NACA 0006翼型的外部亚声速可压缩定常流动进行数值模拟分析。
1 二维定常可压缩流场分析—NACA 0006翼型气动力计算翼型的气动力计算是空气动力学领域中十分常见的问题，而实际的翼型是由翼型的几何数据文件所描述的，三角机翼、矩形机翼等规则形状的翼型很少见。
本实例中，我们将针对一个实际的NACA0006翼型，使用FLUENT软件包对其进行气动力计算分析。
1.1 概述使用FLUENT软件包进行翼型气动力分析需要计算出不同工况下（攻角、来流马赫数等）翼型的外部绕流流场，流动一般是假设定常、可压缩的，FLUENRT软件就起到一个数值风洞的作用。
翼身组合体的网格生成及euler方程数值模拟飞行器机身网格生成是飞行器的基础设计及性能计算的重要部分。
飞行器机身的网格的定义和生成，具有确定计算结果精确度的意义，同时也是计算速度和稳定性的重要因素。
目前，应用计算流体力学（CFD）研究一翼机身组合体，需要在三维空间划分网格，本文依据一翼机身组合体的几何特征来研究其网格的生成，以及基于此面网格的Euler方程数值模拟。
一、机身网格的生成1、定义网格类型根据网格的应用功能不同，现有形式的空间网格可分为固体壳网格（Solid Shell）和多普勒网格（Doppler），其中，固体壳网格可被应用于射流流动，而多普勒网格可被用于高超声速流动。
2、生成网格网格生成步骤主要包括网格类型选择、定义机体几何特征、拓扑结构等，具体实现有可均匀分布的三角形网格和多面体网格。
同时，需要考虑网格的分布和密度，以便能够使网格细度合理，减少计算难度。
3、更新机身网格更新网格在计算后有两种方式，一是网格移动，二是网格重新生成或调整，在这种情况下，网格重新生成和调整大大降低了计算时间。
二、基于网格的Euler方程数值模拟1、工程化数值模型Euler方程可以用来描述一翼机身组合体的空气动力学问题，其中建立的数值模型包括飞行器的质量及动力特性、空气动力学特性及流体气动力学特性等。
2、无量纲化数值模型无量纲化是Euler方程的重要技术，其实现的方式主要有：相对自由下降的无量纲算法；离心率衰减变化的无量纲算法；相对能量改变的无量纲算法，等，无量纲化有助于减少飞行器系统参数数量，使计算变得更加容易。
3、物理有限差分模型物理有限差分（PFD）是一种快速有效的算法，用来求解偏微分方程，可以准确而改善网格精度，从而提高计算精度、准确性和完整性，常用于计算飞行器及用偏微分方程表述的流体动力学问题。
总的来说，一翼机身组合体的网格生成及Euler方程数值模拟工作具有重要的科学意义和应用价值，受到了研究人员广泛关注，在当前计算流体力学和计算机仿真技术的发展中具有重要的应用，可以用来改进飞行器的设计，把飞行器更好的效能应用到日常的实际应用中。
DPWⅢ机翼和翼身组合体构型数值模拟王运涛;王光学;张玉伦【摘要】采用"亚跨超CFD软件平台"(TRIP)数值模拟了DPW Ⅲ提供的DPW_W1/W2两种机翼构型和DPW-F6/F6_FX2B两种翼身组合体构型,主要目的是通过两种机翼构型和两种翼身组合体构型的数值模拟,研究网格密度对运输机构型气动特性计算结果的影响.数值模拟采用的多块对接网格来自AIAA CFD Drag Prediction Workshop Ⅲ(DPW Ⅲ),采用National Transonic Facility(NTF)的试验结果和CFL3D的计算结果作对比.详细研究了网格密度对两种机翼构型和翼身组合体的总体气动特性和压力分布的影响.采用SST两方程模型计算两种构型均得到了网格收敛结果,网格密度主要影响压差阻力而对摩擦阻力影响较小,计算结果较好地预测了机翼和翼身组合体外形优化前后总体气动特性的变化量.%Numerical simulations on multi-block structured grids are performed to compute drag for the DPW Ⅲ w ing and wing-body configurations with Navier-Stokes solver TRIP. The structured grids and reference numerical resuits are from drag prediction workshop Ⅲ. The effects of mesh density to aerodynamic characters and pressure distribution are carefully studied in present paper. The present results are verified by comparison with CFL 3D results and test results from National Transonic Facility (NTF). Grid refinement leads to convergence numerical results with Menter's SST two-equation turbulent models , grid refinement has larger influence to pressure drag than to friction drag.Pressure distribution of TRIP with hundreds of grids is in good agreement with the results of CFL 3D with far more dense grids. It is demonstrated that the TRIP solver is capable ofpredicting the small change of aerodynamic characters due to simple optimization of wing and wing-body configurations.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】6页(P264-269)【关键词】DPW Ⅲ;网格密度;气动特性;压力分布;数值模拟【作者】王运涛;王光学;张玉伦【作者单位】中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室,四川绵阳621000;中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室,四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言随着大型专业前置处理软件、计算流体力学(CFD)技术、后置处理软件和计算机硬件技术的飞速发展，基于RANS方程(Reynolds Averaged Navier-Stokes)的CFD软件已经可以模拟高度复杂飞行器外形的绕流流场［1］。
