研究论文丨一种基于浸没边界-大涡模拟的降落伞流固耦合计算方法

原创 张扬，等 空气动力学学报 2025年04月10日 11:51 四川

张扬1, 2，*, 濮天梅3, 周春华4, 欧阳弘扬1, 童旭东1, 21.南京航空航天大学 航天学院， 南京 2100162.航天科技集团有限公司 航天进入减速与着陆技术实验室， 北京 1000943.扬州大学 电气与能源动力工程学院，扬州 2251274.南京航空航天大学 航空学院， 南京 210016引用本文：张扬, 濮天梅, 周春华, 等. 一种基于浸没边界-大涡模拟的降落伞流固耦合计算方法[J]. 空气动力学学报, 2025, 43(2): 96−109. 

DOI:  10.7638/kqdlxxb-2024.0079

 研究背景 降落伞减速技术在航空航天工程中发挥着至关重要的作用。降落伞充气过程涉及复杂的流固耦合现象，准确地模拟这种现象需要发展先进的数值计算方法。浸没边界方法由于不需要动态生成贴体网格，适用于求解涉及结构大变形或位移的问题，近年来在降落伞充气模拟方面也获得了关注。然而，目前浸没边界方法在降落伞中的应用大多没有考虑湍流的影响。 研究创新点 本文将适合复杂外形非均匀湍流的动态Vreman亚格子模型嵌入到基于尖锐界面浸没边界方法和有限元方法的流固耦合求解框架下（LES/IB），实现了中高雷诺数湍流情形下典型降落伞充气过程的模拟。通过分析比较降落伞充气过程中的气动性能和结构响应，验证了本文所建立方法的可靠性。  

图  1  圆伞充气力系数和投影面积的时间历程

图  2  不同时刻圆伞伞衣表面Von Mises应力分布

图  3  不同时刻圆伞周围流场流体水平速度分量分布切面图 研究结论 

1) LES/IB求解器模拟Re = 3900条件下的三维圆柱绕流，得到的平均阻力系数、后缘点平均背压系数、St、平均横向/流向速度以及横向/流向速度脉动方差与DNS、LES和实验结果均吻合较好，验证了本文方法具有较高准确性。

2）针对刚性圆伞绕流， LES/IB求解器可以获得接近线性加速比的MPI并行效率，具有较好的并行计算性能。

3）针对典型的圆伞和十字伞充气过程，基于动态Vreman SGS模型的FSI求解器计算得到的气动性能参数和结构响应均与Smagorinsky SGS模型的结果吻合较好，验证了Vreman SGS模型应用于降落伞充气模拟的可靠性。

（以上相关图的出处详见原文）

编辑排版：李  璐  

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