基于cfd-csd耦合的机翼跨音速颤振计算

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1、第２９卷第１２期计算机应用与软件Ｖｏｌ２９Ｎｏ．１２２０１２年１２月ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｃ．２０１２基于ＣＦＤＣＳＤ耦合的机翼跨音速颤振计算张苏华赵永辉（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京２１００１６）摘要采用ＣＦＤＣＳＤ耦合计算是预计机翼跨音速颤振特性的主流方法。以跨音速颤振国际标准模型ＡＧＡＲＤ４４５．６机翼为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ．ＭＦＸ多场耦合求解器对Ｅｕｌｅｒ方程进行求解来获得作用在机翼表面上的非定常气动力；对结构振动

2、方程采用ＨＨＴ方法直接数值积分以获得结构响应。通过ＣＦＤ和ＣＳＤ的耦合，计算了ＡＧＡＲＤ４４５．６机翼的跨音速颤振特性。数值模拟结果与ＮＡＳＡ风洞实验结果符合良好，表明利用ＡＮＳＹＳ．ＭＦＸ计算机翼跨音速颤振问题是可行的。关键词跨音速颤振　ＭＦＸ多场求解器　ＨＨＴ方法　ＡＧＡＲＤ４４５．６机翼中图分类号　ＴＰ３１１　Ｖ２１５．３　　　　文献标识码　ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０１２．１２．０１２ＰＲＥＤＩＣＴＩＮＧＴＲＡＮＳＯＮＩＣＦＬＵＴＴＥＲＯＦＷＩＮＧＵＳＩＮＧＣ

3、ＦＤＣＳＤＣＯＵＰＬＩＮＧＭＥＴＨＯＤＺｈａｎｇＳｕｈｕａ　ＺｈａｏＹｏｎｇｈｕｉ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　ＣＦＤＣＳＤｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｅａｍａｐｐｒｏａｃｈｉｎｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｒａｎｓｏｎｉｃ

4、ｆｌｕｔｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｔａｋｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｏｎｉｃｆｌｕｔｔｅｒＷｉｎｇＡＧＡＲＤ４４５．６ａｓｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙｔｒａｎｓｏｎｉｃａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｆｏｒｃｅｓａｃｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｗｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｓｏｌｖｅｒＡＮＳＹＳ．ＭＦＸｔｏｓｏｌｖｅＥｕｌｅ

5、ｒｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｄｉｒｅｃｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｔｅｇｒａｌｗｉｔｈＨＨＴｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｓ．ＴｈｅｔｒａｎｓｏｎｉｃｆｌｕｔｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＷｉｎｇＡＧＡＲＤ４４５．６ａｒｅｃｏｍｐｕｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆＣＦＤａｎｄＣＳＤ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｇｒｅｅｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅ

6、ＮＡＳＡｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔ．ＴｈｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｕｓｅｏｆｔｈｅＡＮＳＹＳ．ＭＦＸｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｒａｎｓｏｎｉｃｆｌｕｔｔｅｒｏｆｗｉｎｇｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　Ｔｒａｎｓｏｎｉｃｆｌｕｔｔｅｒ　ＭＦＸ（ＭｕｌｔｉＦｉｅｌｄＳｏｌｖｅｒ）　ＨＨＴｍｅｔｈｏｄ　ＷｉｎｇＡＧＡＲＤ４４５．６ＨＨＴ方法直接积分计算，对非定常Ｅｕｌｅｒ方程求解得到气动力，０　引言并将颤振计算结果与ＮＡＳＡ的风洞实验报告进行比较，符合良好。［１，２］颤振是

7、一种典型的流固耦合现象。其数值解法主要涉及计算结构力学（ＣＳＤ）和计算流体力学（ＣＦＤ）两方面。求解结１　ＣＦＤＣＳＤ耦合颤振计算方法构振动方程的理论早已较为完善，而非定常气动力的求解一直影响着颤振计算领域的发展。目前，在低速、亚音速以及超音速１．１　颤振控制方程［３］区域内非定常气动力已经可以被线化求解，如低亚音速的颤振本质上属于结构振动，其方程为：Ｔｈｅｏｄｏｒｓｅｎ气动力、准定常气动力以及超音速的活塞理论等。．Ｍü（ｔ）＋Ｃｕ（ｔ）＋Ｋｕ（ｔ）＝ｆ（ｔ）（１）线化的气动力在求解时不需要建立流场网

8、格，只需对结构划分其中，Ｍ、Ｃ、Ｋ分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，ｆ有限单元，求解效率快，因而受到航空界的欢迎。商业软件（ｔ）为结构受到的非定常气动力矩阵，ｕ为结构各自由度在物理ＭＳＣ．ＮＡＳＴＲＡＮ正是基于线化的气动力求解低亚音速及超音速空间内的位移向量。的颤振问题。求解上述方程常用两种方法，模态叠加法和直接数值积分飞机在跨音速飞行条件下，由于气体呈现明显的可压缩性，法。为了防止结构振动方程有限元迭代过程中高频区域数值耗［４］机