一种适用于流固耦合模拟的高精度气动载荷传递方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31425

流体力学与飞行力学

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一种适用于流固耦合模拟的高精度气动载荷传递方法

杜中宇, 杜鹏程, 宁方飞()

北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 102206

收稿日期:2024-10-21 修回日期:2024-11-11 接受日期:2025-01-10 出版日期:2025-02-10 发布日期:2025-02-10
通讯作者: 宁方飞 E-mail:fangfei.ning@buaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项（J2022-Ⅳ-0010-0024,J2022-? Ⅱ-0001-0004）

A high-precision aerodynamic load transfer method for fluid-solid coupling simulation

Zhongyu DU, Pengcheng DU, Fangfei NING()

Research Institute of Aero-Engine，Beihang University，Beijing 102206，China

Received:2024-10-21 Revised:2024-11-11 Accepted:2025-01-10 Online:2025-02-10 Published:2025-02-10
Contact: Fangfei NING E-mail:fangfei.ning@buaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project （J2022-Ⅳ-0010-0024, J2022-Ⅱ-0001-0004）

摘要/Abstract

摘要：

在基于分区求解的流固耦合数值仿真中，流体和固体求解器使用独立网格进行计算，因而在耦合界面上网格通常是不匹配的。气动力等物理量需要在界面处进行数据传递，其守恒性及准确性严重影响着流固耦合求解的精度。为减少气动力传递的误差，提出了一种基于局部曲面降维和精确单元积分的数据传递方法。在该方法中，首先基于固体网格构建广义二维坐标系，然后投影流体网格，计算相交面积来获得流体单元对固体节点力的贡献。数值算例表明该方法能够实现各种类型的非匹配网格之间精确且高效的数据传递。相比于传统方法，该方法能够保证力的完全守恒，实现接近零误差的气动力传递，且气动力分布更为光滑，力矩的误差可降低一个量级以上。最后，通过Rotor67转子、STCF4标准涡轮和Hirenasd机翼的流固耦合数值模拟对比了不同数据传递方法对流固耦合仿真结果的影响，计算结果表明所提出的界面数据传递方法对于固体变形和气动阻尼的计算更为准确。

关键词: 流固耦合, 非匹配网格, 数据传递, 气动力守恒, 单元积分

Abstract:

In numerical simulations of fluid-solid coupling based on partitioned method， the fluid and solid solvers utilize independent grids for computations， so the grids are typically non-matching at the coupling interface. Physical quantities such as aerodynamic forces need to be transferred at the interface， and their conservation is essential to the accuracy of the simulation solutions. To reduce the error of aerodynamic force transfer， this paper proposes a data transfer method based on local surface degradation and accurate cell integration. In this method， a generalized two-dimensional coordinate system is initially constructed based on the solid mesh. Subsequently， the fluid mesh is projected， and the intersection area is calculated to determine the contribution of the fluid cells to the solid nodal force. The method has been demonstrated to be effective in achieving accurate and efficient data transfer between non-matching meshes of varying types. Compared to the traditional method， the proposed method can essentially ensure the comprehensive conservation of force， facilitate near-zero error aerodynamic force transfer， and result in a smoother aerodynamic force distribution. Additionally， the error of the momentum can be reduced by more than one order of magnitude. Finally， the influence of different data transfer methods on the fluid-solid coupling results are evaluated through the simulations of Rotor67， STCF4 standard turbine and Hirenasd wing which indicate that the interface data transfer approach proposed in this paper is more precise in calculations of solid deformation and aerodynamic damping.

Key words: fluid-solid coupling, non-matching mesh, data transfer, aerodynamic force conservation, cell integral

中图分类号:

杜中宇, 杜鹏程, 宁方飞. 一种适用于流固耦合模拟的高精度气动载荷传递方法[J]. 航空学报, 2025, 46(12): 131425.

Zhongyu DU, Pengcheng DU, Fangfei NING. A high-precision aerodynamic load transfer method for fluid-solid coupling simulation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(12): 131425.

图/表 42

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

表 1

不同方法计算的固体侧合力和力矩对比（Rotor67，网格1）

参数	CFD	QP	Error of QP/%	RBF	Error of RBF/%	CI	Error of CI/%
$F x / N$	-299.80	-300.20	0.134	-304.46	1.55	-299.80	0
$F y / N$	210.66	211.84	0.559	212.45	0.850	210.66	0
$F z / N$	-38.160	-38.634	1.24	-39.589	3.74	-38.160	0
$M x / (N · m)$	38.104	38.246	0.371	38.387	0.743	38.089	-0.038 9
$M y / (N · m)$	-62.344	-62.389	0.072 9	-63.072	1.17	-62.315	-0.046 6
$M z / (N · m)$	-0.386 27	-0.370 54	-4.07	-0.680 96	76.3	-0.385 71	-0.146

表 1

表 2

不同方法计算的固体侧合力和力矩的对比（Rotor67，网格2）

参数	CFD	QP	Error of QP/%	RBF	Error of RBF/%	CI	Error of CI/%
$F x / N$	-299.80	-299.41	-0.131	-299.36	-0.146	-299.80	0
$F y / N$	210.66	210.19	-0.222	209.34	-0.625	210.66	0
$F z / N$	-38.160	-37.926	-0.613	-37.424	-1.93	-38.160	0
$M x / (N · m)$	38.104	38.035	-0.182	37.932	-0.451	38.097	-0.018 1
$M y / (N · m)$	-62.344	-62.266	-0.141	-62.161	-0.293	-62.333	-0.016 6
$M z / (N · m)$	-0.386 27	-0.402 93	4.31	-0.635 26	64.5	-0.385 55	-0.186

表 2

表 3

图 17

图 18

图 19

表 4

不同方法计算的固体侧合力和力矩对比（STCF4）

参数	CFD	QP	Error of QP/%	RBF	Error of RBF/%	CI	Error of CI/%
$F x / N$	118.97	119.26	0.243	118.84	-0.111	118.97	0
$F y / N$	59.166	59.103	-0.108	58.758	-0.646	59.167	0
$F z / N$	0.039 220	0.038 948	-0.693	0.035 064	-10.6	0.039 220	0
$M x / (N · m)$	10.572	10.557	-0.141	10.503	-0.651	10.572	0.001 00
$M y / (N · m)$	21.218	21.268	0.237	21.197	-0.097 6	21.218	0.001 00
$M z / (N · m)$	-7.052 1	-7.067 1	0.212	-7.030 7	-0.304	-7.052 7	0.008 25

表 4

图 20

图 21

图 22

表 5

不同方法计算固体侧力和力矩的对比（Hirenasd机翼）

参数	CFD	QP	Error of QP/%	RBF	Error of RBF/%	CI	Error of CI/%
$F x / N$	102.70	754.75	635	805.12	684	102.70	0
$F y / N$	-2 299.3	-2 736.4	19.0	-2 767.7	20.4	-2 299.3	0
$F z / N$	5 710.1	5 877.5	2.93	6 119.5	7.17	5 710.1	0
$M x / (N · m)$	3 331.9	3 368.2	1.09	3 553.0	6.64	3 332.0	0.003 14
$M y / (N · m)$	3 083.9	3 155.7	2.33	3 345.5	8.48	3 084.7	0.025 9
$M z / (N · m)$	-486.92	-654.47	34.4	-655.87	34.7	-487.5	0.119

表 5

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

图 30

图 31

图 32

表 6

图 33

图 34

表 7

机翼升力系数和阻尼系数

参数	QP	RBF	CI	文献［40］
$C L$	0.333 3	0.332 6	0.334 2	0.336 6
$C D$	0.014 7	0.014 8	0.014 7	0.014 7

表 7

图 35

参考文献 40

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模态	固有频率/Hz
模态	本文	文献［39］
1	26.5	26.5
2	86.0	86.0
3	157.0	156.9
4	189.5	189.3
5	272.9	272.9
6	322.2	321.8

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算例	CPU时间/s
算例	QP	RBF	CI
网格1	4.84	3.75	0.76
网格2	127.07	49.41	14.32