● 摘要
在航空航天领域，多体气动问题一直是研究的热点和难点，多个物体（或部件）之间的非定常、非线性干扰，严重影响飞行器的气动特性和姿态稳定，而且依靠传统的研究方法，即飞行试验和风洞试验，很难开展全面研究、获取精确数据。近三十年来，由于硬件能力和理论水平的迅速发展，CFD逐渐成为空气动力学研究这类问题的基本手段，在解决实际工程问题上发挥了重大作用。但是，CFD还没有达到任意计算都能成功的水平，一些关键技术还制约着CFD对这类问题的更深入研究和应用，特别是鲁棒性高、自动化程度高、能够实现边界任意运动的复杂网格技术。结构重叠网格自提出以来，就被认为特别适合求解有多体相对运动的气动问题，也是目前研究这类问题最有工程价值的网格技术。但是随着研究对象的复杂程度和网格规模的日益增长，传统的结构重叠网格技术在鲁棒性、存储和计算效率、精度、适用性、自动化程度等方面仍有进一步提升的迫切需求。因此，本文在航空航天型号研制需求的推动下，以能解决复杂、大型工程问题为目标，开展了结构重叠网格方法的基础理论研究，在挖洞、寻点和洞面优化等关键技术上深入剖析原理和深刻理解本质，克服和改进前人方法的不足，提出了一些突破性的新概念和新方法，显著提高了方法的鲁棒性、效率和精度。本文在理论研究上的主要工作包括：1) 挖洞方法上，对广义封闭进行扩展，提出了最小洞映射模型，以缩小洞映射范围，减少存储开销；提出了”Inverse Mark”方法，有效提高了笛卡尔网格单元属性标识的鲁棒性和效率；提出了复合式挖洞方法，完全克服了复杂外形对洞映射近似程度要求高的弊端，彻底解决了传统洞映射方法的存储和鲁棒性问题；将寻点技术用于薄物体处理上，解决了传统方法无法对薄物体挖洞的问题。2) 寻点方法上，提出了一种直接在格心网格下操作，基于虚网格边界的ADT搜索方法，克服了格心网格无法直接组织ADT树的困难；对搜索结果列表遍历即获得合理贡献单元，故完全摒弃了可靠性差的Stencil Walk方法；虚网格概念的引入，简化了虚网格的构建过程，提高了边界附近寻点的准确性，还扩展了可处理边界的类型；发展了有效搜索和格心化存储，进一步优化了方法的存储和计算效率。3) 洞面优化技术上，提出了两类洞内点的概念，解决了缝隙重叠问题；提出了双阵面推进的思想，有效避免了优化过程中产生孤点；发展了改进的割补法，提高了对复杂、品质较差网格的处理能力；提出了一种新型的混合插值模式，能有效平衡外插和降阶插值的不利影响；提出了网格逻辑容差和阵面牵引的概念，巧妙突破了传统割补法要求一致性离散推进的限制，有效缓解了物面重叠的寻点困难；采用OpenMP技术进行了并行化处理，提高了代码执行速度。本文在融合上述理论成果的基础上，编制了通用的结构重叠网格程序MI-Grid，同时也作为CFD软件系统MI-CFD的内置重叠网格处理模块，与该系统的非定常计算模块、6DOF运动模块等实现了无缝结合，形成了一个完整的重叠网格CFD软件系统，是目前国内实用性最强的结构重叠网格软件系统。在应用方面，深入研究了两个典型的多体气动问题，同时也考核了本文方法在解决实际工程问题上的适用性，分别是：1) 常规布局战术导弹外形，是一种多部件构型的气动问题，采用重叠网格技术能极为方便的实现全动舵面的任意偏转，也是重叠网格技术在常规气动性能预测上应用最成功的领域之一。本文研究了工程上比较关注的小不对称气动布局，提出了一种简单实用的线性修正模型；研究了工程上广泛使用的三通道线性迭加模型，开展了一些定性分析和定量评价，并获得了有工程价值的结论。2) 子母弹抛撒气动问题，是典型的有相对运动的多体气动问题，也是重叠网格技术最有价值的应用领域之一。本文以抛撒方案的气动设计为主线，强调对抛撒流场机理认识、子弹气动性能分析，由简入繁、循序渐进的讨论和评估出舱条件、单子弹/多子弹气动干扰、非定常效应等对子弹分离运动的影响，并获得了有工程价值的结论。大量的测试算例和工程实例表明，本文发展的新型重叠网格方法实现了关键技术上的突破，全面提升了算法性能，形成的软件系统具有高鲁棒性、高效率、精确、灵活的特点，能解决航空航天领域的实际难题，为多体气动问题研究提供了有效手段。