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飞机空气动力学建模的有限元方法:开发、仿真和验证。 (英语) Zbl 1497.76053号

小结:在这项工作中,我们提出并验证了一个新的稳定可压缩流有限元框架,用于航空航天应用的模拟。该框架由基于流线迎风/Petrov-Galerkin(SUPG)的可压缩流Navier-Stokes方程、作为壁函数的弱强制基本边界条件和作为冲击捕捉算子的基于熵的不连续捕获方程组成。针对从低亚音速到跨音速的各种马赫数,测试了该框架的准确性和鲁棒性。对NACA 0012翼型、RAE 2822翼型、ONERA M6机翼和NASA通用研究模型(CRM)飞机周围的二维和三维气流验证情况进行了空气动力学模拟。将所有情况下模拟得到的压力系数与实验数据进行了比较。计算结果与实验结果吻合良好,证明了本文提出的有限元框架用于飞机空气动力学仿真的准确性和有效性。

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76M10个 有限元方法在流体力学问题中的应用
76号06 可压缩Navier-Stokes方程
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全文: 内政部

参考文献:

[1] Antoniadis,空军;Tsusanis,P。;Drikakis,D.,《航空结构RANS解决方案非结构化网格上高阶有限体积方法的评估》,计算流体,146,86-104(2017)·Zbl 1390.76392号
[2] 普里亚姆,TH;Steger,JL,三维可压缩流动的隐式有限差分模拟,AIAA J,18,159-167(1980)·Zbl 0417.76039号
[3] WF Ballhaus;Goorjian,PM,翼型跨音速非定常流动的隐式有限差分计算,AIAA J,151728-1735(1977)·兹伯利0394.76008
[4] Donea,J。;Huerta,A.,《流动问题的有限元方法》(2003),奇切斯特:John Wiley&Sons,奇切斯
[5] Brooks,AN;Hughes,TJR,对流主导流的Streamline迎风/Petrov-Galerkin公式,特别强调不可压缩Navier-Stokes方程,计算方法应用机械工程,32,199-259(1982)·Zbl 0497.76041号
[6] 休斯,TJR;Tezduyar,TE,一阶双曲型系统的有限元方法,特别强调可压缩欧拉方程,Comput methods Appl Mech Eng,45217-284(1984)·Zbl 0542.76093号
[7] 休斯,TJR;Mallet,M.,计算流体动力学的新有限元公式:III.多维对流扩散系统的广义流线算子。,计算方法应用机械工程,58,305-328(1986)·Zbl 0622.76075号
[8] 休斯,TJR;Franca,LP公司;Mallet,A.,《计算流体动力学的新有限元公式:I.可压缩Euler和Navier-Stokes方程的对称形式和热力学第二定律》,《计算方法应用机械工程》,54,223-234(1986)·Zbl 0572.76068号
[9] 休斯,TJR;Franca,有限合伙人;Mallet,M.,计算流体动力学的一种新的有限元公式:VI.线性含时多维对流扩散系统广义SUPG公式的收敛性分析,计算方法应用机械工程,63,97-112(1987)·Zbl 0635.76066号
[10] 沙基布,F。;休斯,TJR;Johan,Z.,计算流体动力学的一种新的有限元公式:X.可压缩Euler和Navier-Stokes方程,计算方法应用机械工程,89,141-219(1991)
[11] GJ勒博;雷,SE;斯洛伐克阿利亚巴迪;Tezduyar,TE,SUPG用熵和守恒变量公式对可压缩流动进行有限元计算,计算方法应用机械工程,104,397-422(1993)·Zbl 0772.76037号
[12] 斯洛伐克阿利亚巴迪;Tezduyar,TE,涉及移动边界和界面的可压缩流动的时空有限元计算,计算方法应用机械工程,107,209-223(1993)·Zbl 0798.76037号
[13] Tezduyar,TE;斯洛伐克阿利亚巴迪;贝尔,M。;Mittal,S.,可压缩和不可压缩流动的大规模并行有限元模拟,计算方法应用机械工程,119157-177(1994)·Zbl 0848.76040号
[14] Hauke,G。;Hughes,TJR,可压缩和不可压缩流动的统一方法,Comput Methods Appl Mech Eng,113389-396(1994)·Zbl 0845.76040号
[15] 雷恩,GP;雷,SE;斯洛伐克阿利亚巴迪;Tezduyar,TE,运动部件之间可压缩流动的时空有限元计算,国际数值方法流体杂志,21981-991(1995)·Zbl 0862.76041号
[16] Wren,全科医生;雷,SE;斯洛伐克阿利亚巴迪;Tezduyar,TE,移动机械部件的流动问题模拟,流体-结构相互作用和双流体界面,国际数值流体杂志,241433-1448(1997)·Zbl 0881.76054号
[17] 雷,SE;雷恩,GP;Tezduyar,TE,内部流动中流体-结构相互作用有限元公式的并行实现,并行计算,231279-1292(1997)·Zbl 0894.68021号
[18] 米塔尔,S。;Tezduyar,T.,使用附加守恒变量的可压缩和不可压缩流动的统一有限元公式,计算方法应用机械工程,161,229-243(1998)·兹比尔0943.76050
[19] 雷,SE;Tezduyar,TE,内弹道学中的流体-物体相互作用,计算方法应用机械工程,190,363-372(2000)·Zbl 0997.76048号
[20] Hauke,G.,用于计算原始变量中可压缩流的简单稳定化矩阵,计算方法应用机械工程,1906881-6893(2001)·Zbl 0996.76047号
[21] 休斯,TJR;斯科瓦齐,G。;Tezduyar,TE,可压缩流动的稳定方法,科学计算杂志,43343-368(2010)·Zbl 1203.76130号
[22] Takizawa,K。;Tezduyar,TE;Kanai,T.,《几何孔隙度降落伞可压缩流动空气动力学的孔隙度模型和计算方法》,《数学模型方法应用科学》,27,771-806(2017)·Zbl 1361.76017号
[23] Kanai,T。;Takizawa,K。;Tezduyar,TE;田中,T。;Hartmann,A.,可压缩流几何孔隙度建模和等几何离散化航天器降落伞计算,计算力学,63,301-321(2019)·Zbl 1462.76145号
[24] Tezduyar,TE;Park,YJ,非线性对流扩散反应方程的不连续捕获有限元公式,计算方法应用机械工程,59,307-325(1986)·兹比尔0593.76096
[25] 休斯,TJR;Mallet,M。;Mizukami,A.,计算流体动力学的新有限元公式:II。超越SUPG。,计算方法应用机械工程,54,341-355(1986)·Zbl 0622.76074号
[26] 休斯,TJR;Mallet,M.,《计算流体动力学的新有限元公式:IV.多维对流扩散系统的不连续捕获算子》,《计算方法应用机械工程》,58,329-339(1986)·Zbl 0587.76120号
[27] 阿尔梅达,RC;Galeáo,AC,可压缩Euler和Navier-Stokes方程的自适应Petrov-Galerkin公式,计算方法应用机械工程,129157-176(1996)·Zbl 0865.76036号
[28] Hauke,G。;Hughes,TJR,解决可压缩和不可压缩流动的不同变量集的比较研究,计算方法应用机械工程,153,1-44(1998)·Zbl 0957.76028号
[29] Tezduyar,TE;Senga,M.,可压缩流动SUPG公式中的稳定和冲击参数,计算方法应用机械工程,1951621-1632(2006)·兹比尔1122.76061
[30] Tezduyar,TE;Senga,M。;Vicker,D.,用SUPG公式和YZ(β)冲击捕获计算圆柱和球体周围的无粘超声速流,计算力学,38,469-481(2006)·Zbl 1176.76077号
[31] Tezduyar,TE;Senga,M.,带YZ(β)冲击捕获的无粘超声速流的SUPG有限元计算,计算流体,36,147-159(2007)·Zbl 1127.76029号
[32] Rispoli,F。;Saavedra,R。;科尔西尼,A。;Tezduyar,TE,利用V-SGS稳定和YZ(β)冲击捕获计算无粘可压缩流,国际数值方法流体杂志,54,695-706(2007)·Zbl 1207.76104号
[33] Rispoli,F。;Saavedra,R。;Menichini,F。;Tezduyar,TE,《V-SGS稳定和YZ(β)冲击捕捉下圆柱和球体周围无粘超声速流动的计算》,《应用力学杂志》,76(2009)
[34] Rispoli,F。;Delibra,G。;文丘里尼,P。;科尔西尼,A。;Saavedra,R。;Tezduyar,TE,《V-SGS稳定和YZ(β)冲击捕获的可压缩流计算中的粒子跟踪和粒子冲击相互作用》,计算力学,55,1201-1209(2015)·Zbl 1325.76121号
[35] Takizawa,K。;Tezduyar,TE;Otoguro,Y.,有限元和等几何离散化时空流计算的稳定和不连续捕获参数,计算力学,621169-1186(2018)·兹比尔1462.76128
[36] Bazilevs,Y。;Hughes,TJR,流体力学中Dirichlet边界条件的弱施加,计算流体,36,12-26(2007)·Zbl 1115.76040号
[37] Bazilevs,Y。;Michler,C。;Calo,VM;Hughes,TJR,壁面湍流的弱Dirichlet边界条件,计算方法应用机械工程,1964853-4862(2007)·Zbl 1173.76397号
[38] Bazilevs,Y。;Michler,C。;Calo,VM;Hughes,TJR,无拉伸网格上弱边界条件下壁湍流的等几何变分多尺度模拟,计算方法应用机械工程,199780-790(2010)·Zbl 1406.76023号
[39] 徐,F。;毛茛属(Moutsanidis,G.)。;卡门斯基,D。;Hsu,M-C;Murugan,M。;Ghoshal,A。;Bazilevs,Y.,《移动区域上的可压缩流:稳定方法、弱强制基本边界条件、滑动界面以及在燃气轮机建模中的应用》,计算流体,158201-220(2017)·Zbl 1390.76805号
[40] Bazilevs,Y。;Akkerman,I.,使用等几何分析和基于残差的变分多尺度方法对湍流Taylor-Couette流进行大涡模拟,J Comput Phys,2293402-3414(2010)·Zbl 1290.76037号
[41] Hsu,M-C;阿克曼,I。;Bazilevs,Y.,《使用ALE-VMS的风力涡轮机空气动力学:弱强制边界条件的验证和作用》,《计算力学》,50,499-511(2012)
[42] Hsu,M-C;阿克曼,I。;Bazilevs,Y.,《风力涡轮机空气动力学有限元模拟:使用NREL第六阶段实验的验证研究》,风能,17,461-481(2014)
[43] 徐,S。;高,B。;Hsu,M-C;Ganapathysubramanian,B.,浮力驱动流边界条件弱施加的基于残差的变分多尺度方法,计算方法应用机械工程,352,345-368(2019)·Zbl 1441.76075号
[44] Golshan,R。;特贾达·马丁内斯,AE;Juha,M。;Bazilevs,Y.,使用弱强制无滑移边界条件进行近壁建模的大涡模拟,计算流体,118172-181(2015)·Zbl 1390.76155号
[45] 徐,F。;席林格,D。;卡门斯基,D。;瓦尔杜恩,V。;王,C。;Hsu,M-C,《流体的四面体有限元法:复杂几何形状周围湍流的浸入式几何分析》,计算流体,141135-154(2016)·Zbl 1390.76372号
[46] Hsu,M-C;王,C。;徐,F。;AJ Herrema;Krishnamurthy,A.,使用B-rep CAD模型进行直接浸没地质流体流动分析,计算机辅助几何设计,43,143-158(2016)·Zbl 1418.76042号
[47] 徐,F。;Bazilevs,Y。;Hsu,M-C,可压缩流的浸入式地理分析及其在旋翼机气动模拟中的应用,数学模型方法应用科学,29,905-938(2019)·Zbl 1425.35140号
[48] 朱,Q。;徐,F。;徐,S。;Hsu,M-C;Yan,J.,自由表面流的无限几何公式及其在海洋工程问题中的应用,Comput Methods Appl Mech Eng,361(2020)·Zbl 1442.76019号
[49] Tezduyar,T。;阿利亚巴迪,S。;贝尔,M。;约翰逊,A。;Mittal,S.,三维流动的并行有限元计算,计算机,26,10,27-36(1993)·Zbl 0875.76267号
[50] Tezduyar,T。;阿利亚巴迪,S。;贝尔,M。;约翰逊,A。;卡尔罗,V。;Litke,M.,流动模拟和高性能计算,Comput Mech,18397-412(1996)·Zbl 0893.76046号
[51] 斯图雷克,WB;Ray,S。;阿利亚巴迪,S。;沃特斯,C。;Tezduyar,TE,导弹空气动力学的并行有限元计算,国际数值方法流体杂志,241417-1432(1997)·Zbl 0882.76047号
[52] 北卡罗来纳州科扎克。;徐,F。;拉贾纳,MR;布拉沃,L。;Murugan,M。;Ghoshal,A。;Bazilevs,Y。;Hsu,M-C,非设计条件下自适应燃气轮机定子-转子流动相互作用的高精度有限元建模与分析,J Mech,36,595-606(2020)
[53] 北卡罗来纳州科扎克。;拉贾纳,MR;Wu,妇幼保健;Murugan,M。;布拉沃,L。;Ghoshal,A。;Hsu,M-C;Bazilevs,Y.,《使用替代管理框架和高保真流动模型优化燃气轮机性能》,《能源》,第134283页(2020年)
[54] Bazilevs,Y。;Takizawa,K。;吴,MCH;Kuraishi,T。;Avsar,R。;徐,Z。;Tezduyar,TE,采用等几何离散化和复杂几何网格生成方法的燃气轮机计算流和结构分析,Comput Mech,67,57-84(2021)·Zbl 07360493号
[55] 科多尼,D。;穆萨尼迪斯,G。;Hsu,M-C;Bazilevs,Y。;Johansen,C。;Korobenko,A.,《高速可压缩流动的稳定方法:走向高超声速模拟》,《计算力学》,67,785-809(2021)·Zbl 1490.76134号
[56] Ladson C.L.(1988)马赫数和雷诺数独立变化对NACA 0012翼型段低速气动特性的影响。NASA技术报告TM-4074,NASA,
[57] Gregory N,O’Reilly C L(1970)NACA 0012翼型截面的低速气动特性,包括模拟白霜的上表面粗糙度的影响。NASA技术报告R&M3726,NASA,
[58] Harris C D(1981)兰利8英尺跨声速压力风洞中NACA 0012翼型的二维空气动力学特性。NASA技术报告TM-81927,NASA,
[59] Cook P H、McDonald M A、Firmin M C P(1979)《翼型RAE 2822——压力分布、边界层和尾流测量》。AGARD报告AR-138,AGARD,
[60] Schmitt V,Charpin F(1979),跨音速马赫数下ONERA-M6机翼上的压力分布。AGARD报告AR-138,AGARD,
[61] Vassberg J、Dehaan M、Rivers M、Wahls R应用CFD验证研究通用研究模型的开发。2008年,夏威夷檀香山AIAA 2008-6919。第26届AIAA应用空气动力学会议
[62] 河流,MB;Dittberner,A.,《NASA通用研究模型的实验研究》,J Aircr,51,1183-1193(2014)
[63] NASA通用研究模型。https://commonresearchmodel.larc.nasa.gov/。[于2022年3月31日访问]
[64] Le Beau G.J,Tezduyar T.E(1991)使用SUPG公式进行可压缩流动的有限元计算。流体动力学有限元分析进展,FED-Vol.123,pp 21-27,纽约,ASME
[65] 休斯,TJR;费约奥,GR;Mazzei,L。;昆西,JB,《变分多尺度方法——计算力学的范例》,《计算方法应用机械工程》,166,3-24(1998)·Zbl 1017.65525号
[66] 休斯,TJR;Mazzei,L。;Jansen,KE,《大涡模拟和变分多尺度方法》,Comput Vis Sci,347-59(2000)·Zbl 0998.76040号
[67] Bazilevs,Y。;Calo,虚拟机;科特雷尔,JA;休斯,TJR;Reali,A。;Scovazzi,G.,《不可压缩流动大涡模拟的变分多尺度残差湍流模型》,计算方法应用机械工程,197173-201(2007)·Zbl 1169.76352号
[68] Pope,SB,湍流(2000),剑桥:剑桥大学出版社,剑桥·Zbl 0966.76002号
[69] 休斯,TJR;奥伯莱,AA;Mazzei,L.,《用变分多尺度方法对湍流通道流动进行大涡模拟》,《物理流体》,第13期,1784-1799页(2001年)·Zbl 1184.76237号
[70] 休斯,TJR;Sangalli,G.,变分多尺度分析:精细尺度格林函数、投影、优化、定位和稳定方法,SIAM J Numer Anal,45539-557(2007)·Zbl 1152.65111号
[71] 马苏德,A。;Calderer,R.,《不可压缩湍流的变分多尺度方法:气泡函数和精细尺度场》,计算方法应用机械工程,2002577-2593(2011)·Zbl 1230.76029号
[72] Takizawa,K。;蒙特斯,D。;麦金太尔,S。;Tezduyar,TE,高雷诺数下不可压缩流动建模的时空VMS方法,数学模型方法应用科学,23,223-248(2013)·Zbl 1261.76037号
[73] 马苏德,A。;Calderer,R.,移动边界流的基于残差的湍流模型:变分多尺度方法和三级尺度分离的分层应用,国际数值方法流体杂志,73,3,284-305(2013)·Zbl 1455.76062号
[74] Bazilevs,Y。;严,J。;de Stadler,M。;Sarkar,S.,《(Re=3700)下球体上方流动的计算:均匀和紊流流入条件的比较》,《应用力学杂志》,81,121003(2014)
[75] Bazilevs,Y。;科罗本科,A。;严,J。;Pal,A。;SMI Gohari;Sarkar,S.,分层湍流不可压缩流的ALE-VMS公式及其应用,数学模型方法应用科学,25,2349-2375(2015)·Zbl 1329.76050号
[76] Calderer,R。;朱,L。;吉布森,R。;Masud,A.,基于残差的湍流模型和自由表面流动的任意拉格朗日-欧拉框架,数学模型方法应用科学,25,12,2287-2317(2015)·Zbl 1329.76136号
[77] Yang,L。;巴迪亚,S。;Codina,R.,湍流不可压缩流动的伪压缩变分多尺度解算器,计算力学,581051-1069(2016)·Zbl 1398.76042号
[78] 严,J。;科罗本科,A。;特贾达·马丁内斯,AE;戈尔尚,R。;Bazilevs,Y.,分层不可压缩湍流的新变分多尺度公式,计算流体,158,150-156(2017)·Zbl 1390.76107号
[79] 科罗本科,A。;Bazilevs,Y。;Takizawa,K。;Tezduyar,TE,风力涡轮机的计算机建模:1。ALE-VMS和ST-VMS空气动力学和FSI分析。,档案计算方法工程,261059-1099(2019)
[80] 徐,S。;刘,N。;Yan,J.,基于残差的平面和三角形波浪地形上颗粒重力流变分多尺度建模,计算机与流体,188114-124(2019)·Zbl 1519.76160号
[81] 艾丁巴卡尔。;Takizawa,K。;Tezduyar,TE;Matsuda,D.,用ST-VMS方法和等几何离散化进行U型管道湍流计算,计算力学,67,823-843(2021)·Zbl 1490.76171号
[82] 拉文斯伯根,M。;Helgedagsrud,TA;Bazilevs,Y。;Korobenko,A.,复杂环境地形上大气湍流的变分多尺度框架,计算方法应用机械工程,368(2020)·兹比尔1506.86010
[83] 朱,Q。;严,J。;特贾达·马丁内斯,AE;Bazilevs,Y.,《利用等几何分析对浅水Langmuir湍流边界层进行变分多尺度模拟》,Mech Res Commun,108(2020)
[84] 岑,H。;周,Q。;Korobenko,A.,使用基于残差的变分多尺度方法和等几何分析模拟稳定分层湍流通道,计算机与流体,214(2021)·Zbl 1521.76322号
[85] 艾丁巴卡尔。;Takizawa,K。;Tezduyar,TE;Kuraishi,T.,Taylor-Couette流的时空VMS等几何分析,计算力学,671515-1541(2021)·Zbl 1468.76050号
[86] Wilcox,DC,CFD湍流建模(2006),加利福尼亚州拉卡纳达:DCW Industries Inc,加利福尼亚州拉卡纳达
[87] 钟,J。;Hulbert,GM,《改进数值耗散结构动力学的时间积分算法:广义-(α)方法》,《应用力学杂志》,60,371-75(1993)·Zbl 0775.73337号
[88] 肯塔基州詹森;怀特,CH;Hulbert,GM,用稳定有限元方法积分滤波Navier-Stokes方程的广义-(α)方法,计算方法应用机械工程,190,305-319(2000)·Zbl 0973.76048号
[89] Bazilevs,Y。;Calo,VM;休斯,TJR;Zhang,Y.,等几何流体-结构相互作用:理论、算法和计算,Comput Mech,43,3-37(2008)·Zbl 1169.74015号
[90] Shakib F,Hughes TJR,Johan Z(1989)有限元分析中出现的非对称系统的多元素群预处理GMRES算法。计算方法应用机械工程75:415-456·Zbl 0687.76065号
[91] NASA兰利研究中心湍流建模资源:2D NACA 0012翼型验证。https://turbmodels.larc.nasa.gov/naca0012_val.html。[于2022年3月31日访问]
[92] NPARC联盟CFD验证与确认:RAE 2822跨音速翼型-研究#4。https://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/raetaf/raetaf04/raetaf04.html。[于2022年3月31日访问]
[93] NPARC联盟CFD验证与确认:RAE 2822跨音速翼型。https://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/raetaf/raetaf.html。[于2022年3月31日访问]
[94] NASA兰利研究中心湍流建模资源:3D ONERA M6机翼验证。https://turbmodels.larc.nasa.gov/onerawingnumerics_val.html。[于2022年3月31日访问]
[95] NPARC联盟CFD验证与确认:ONERA M6机翼。https://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/m6wing/m6wing.html。[于2022年3月31日访问]
[96] 美国航空航天局兰利研究中心湍流建模资源:3D ONERA M6机翼验证-SA-neg模型结果。https://turbmodels.larc.nasa.gov/onerawingnumerics_val_sa.html。[于2022年3月31日访问]
[97] NPARC联盟CFD验证与确认:ONERA M6机翼-研究#1。https://www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/m6wing/66wing01/m6wing01.html。[于2022年3月31日访问]
[98] 第六届AIAA CFD阻力预测研讨会。https://aiaa-dpw.larc.nasa.gov/Worshop6/Workshop6.html。[于2022年3月31日访问]
[99] Bazilevs,Y。;Hsu,M-C;Scott,MA,等几何流体-结构相互作用分析,重点是非匹配离散化,并应用于风力涡轮机,计算方法应用-机械工程,249-252,28-41(2012)·Zbl 1348.74094号
[100] Takizawa,K。;上田,Y。;Tezduyar,TE,单纯形元素的节点编号不变方向长度标度,数学模型方法应用科学,29,2719-2753(2019)
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