论文题目：共轴双旋翼流动高精度数值模拟方法研究/Research on High-accurate Numerical Simulation Methods for Vortical Flows over Coaxial Rotors
作者：韩少强
指导教师：宋文萍
学科：飞行器设计
读博感言：心存敬畏，心怀感恩，保持思考
论文选题背景与研究意义：
共轴刚性旋翼直升机是未来先进构型高速直升机的一个重要发展方向，也是我国新一代直升机装备需要突破的技术制高点。共轴刚性旋翼的非定常涡干扰流动对复合式高速直升机的气动、噪声、振动特性有着显著的影响。本文选题旨在解决以下两个关键科学问题：（1）基于传统非线性高阶格式的数值方法在复杂涡干扰流动问题中存在的数值耗散较大、分辨率不足和稳定性差的问题；（2）对共轴双旋翼尾迹涡结构、干扰流动现象及机理认识不足的问题。
针对上述关键问题，本文进行了共轴刚性旋翼非定常涡流动的高效鲁棒高精度高分辨率数值模拟及气动噪声高精度预测研究，为共轴双旋翼的精细化气动分析设计奠定了理论和方法基础，也为非定常干扰流动诱发的气动、振动、噪声等特性的研究提供了急需的机理认识和必要的自主软件支撑。
论文主要研究内容：
针对共轴双旋翼非定常涡流场高精度数值模拟中存在的问题，本文首先提出了一种基于Gauss-Kriging重构的高阶低耗散WENO-K格式，并将其应用于常规单旋翼/共轴双旋翼在悬停和前飞状态下的三维复杂流动数值模拟中；其次，将高阶格式与IDDES方法结合，进行了共轴双旋翼涡流场的高精度精细化数值模拟研究，得到了丰富的非定常尾迹涡结构；最后，在近场高精度数值模拟的基础上，采用FW-Hpds方法进行了共轴双旋翼的远场气动噪声高精度预测研究，阐明了共轴旋翼流场非定常涡结构及涡干扰现象对气动噪声特性的影响机理。
本文提出的WENO-K低耗散高阶格式显著提升了共轴旋翼复杂绕流数值模拟和
气动噪声预测精度
论文主要创新点：
（1）提出了一种基于Gauss-Kriging非多项式重构的五阶WENO-K格式，通过自适应优化非多项式重构引入的自由度，降低了经典WENO格式的数值耗散并保持了间断捕捉能力，从理论上证明了非多项式重构的可行性及优势。
（2）发展了适用于共轴双旋翼流动数值模拟的结构化运动嵌套网格生成方法、嵌套关系高效辨识方法以及考虑负载均衡的嵌套网格自动分块方法，开发了具有自主知识产权的软件，提高了运动嵌套过程的效率和鲁棒性。
（3）发展了基于高阶WENO-K格式、IDDES方法以及FW-Hpds方程的非定常涡流场及远场气动噪声高精度预测方法，实现了共轴双旋翼悬停和前飞状态下的“桨尖涡+涡面+二次涡”结构的精细模拟，获得了与实验吻合的共轴双旋翼涡尾迹结构及气动噪声特性，显著提高了对涡流场脉动造成的噪声信号的捕捉能力，从涡流场演化及涡干扰的角度获得了气动噪声产生的规律和机理。
代表性成果：
1. Han S Q, Song W P, Han Z H. An Improved WENO method based on Gauss-kriging reconstruction with an optimized hyper-parameter. Journal of Computational Physics, 2020:109742.
2. Han S Q, Song W P, Han Z H, et al. Hybrid inverse/optimization design method for rigid coaxial rotor airfoils considering reverse flow. Aerospace Science and Technology, 2019, 95:105488.
3. Han S Q, Song W P, Han Z H. A novel high-order scheme for numerical simulation of wake flow over helicopter rotors in hover, Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 35(5):260-274.
4. Han S Q, Song W P, Han Z H. A computational study on blade-vortex interaction for coaxial rotors in hover using a novel high-order scheme, 33th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, Stockholm, Sweden, Volume 3, Pages 1985-1998, 2022.
5. 韩少强, 宋文萍, 韩忠华, 许建华. 高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟. 航空学报, doi: 10.7527/1000-6893.2023.29064.
6. 韩少强, 宋文萍，韩忠华，王乐. 基于梯度增强型Kriging模型的气动反设计方法. 航空学报, 2017, 38(7):133-147. （EI: 20174104244204）
7. 韩少强, 宋文萍, 韩忠华,许建华. 用于高速直升机旋翼桨根的非对称双钝头翼型及设计方法，授权专利号：ZL202010604036.6.
8. 韩少强，宋文萍，韩忠华，许建华. 共轴双旋翼计算网格系统生成软件，登记号：2021SR1036310.
9. 韩少强，宋文萍，韩忠华，许建华. 共轴双旋翼重叠网格嵌套关系辨识软件，登记号：2021SR1036311.
10. 韩少强，宋文萍，韩忠华，许建华. 共轴双旋翼网格平均分块及嵌套关系匹配软件，登记号：2021SR1036309.
11. 韩少强，宋文萍，韩忠华，许建华. 共轴双旋翼流动高精度并行数值模拟软件，登记号：2021SR1036213.
论文研究历程：
韩少强本科、硕士、博士均毕业于西北工业大学。依托翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室和“飞行器气动与多学科优化设计”陕西高校青年创新团队，韩少强的博士学位论文聚焦直升机领域共轴旋翼流场高精度数值模拟方向。在论文研究过程中，首先通过大量的文献调研和前期预研究，明确了研究主线和框架；其次，明确需要解决的关键科学问题，并发展相应的方法对这些问题进行深挖，关键问题的解决也是论文创新点的来源；最后，将发展的新方法向实际复杂工程问题中推广，取得更好的应用效果，挖掘出新的现象和机理。
纵观博士论文的研究过程，除了个人的努力坚持和创新思考，与导师宋文萍教授保持沟通并定期进行工作汇报也至关重要，宋老师在研究思路、研究条件等各方面都给予了强有力的指导和支持。重点实验室主任韩忠华教授在论文高阶格式研究初期提供了关键性的启发和指导，并在论文的后续研究工作及论文撰写方面持续给予帮助。
在论文撰写阶段，在导师宋文萍教授和韩忠华教授的指导下进一步优化了文章的总体框架，梳理了各部分工作之间的逻辑关系，总结和提炼了研究工作中的创新性成果，通过一次次修改迭代，使得文章从科学性、创新性、逻辑性、系统性等方面趋于完善，最终形成了一篇高质量的博士学位论文。
博士学位论文得到了预答辩委员会、外审专家和答辩委员会的一致好评，认为是一篇优秀的博士学位论文。
