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低雷诺数非定常流场的数值方法及其在微型飞行器上的应用

作　者: 肖天航
导　师: 昂海松
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 微型飞行器低雷诺数非定常流预处理动态网格嵌套网格扑翼气动干扰
分类号: V211.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微型飞行器因尺寸小、重量轻、隐蔽性好等特点而具有良好的应用前景,其概念一经提出即迅速成为科学界当前研究的前沿和热点课题。微型飞行器不是常规飞行器的简单缩小,其尺寸的微型化带来许多亟待解决的难题,低雷诺数空气动力学即为其中最为重要和最为关键的问题之一。本文的主要内容是固定翼/扑翼低雷诺数气动特性的数值和试验研究,包括非定常低雷诺数流场的数值计算方法、动态网格生成、固定翼/扑翼低雷诺数流场机理等研究内容。传统可压缩流计算方法用于求解低速流场时会面临收敛慢、精度低的“刚性”问题,因此,本文将预处理技术拓展到非定常可压缩N-S方程的求解中,发展了一种能有效模拟含运动边界的三维非定常低雷诺数流场的数值方法。控制方程在非结构动态网格上用双时间步推进并用无矩阵计算的隐式LU-SGS迭代求解;由于预处理改变了控制方程的特征值和特征向量,也提出了一种特征变量的边界条件以适合预处理后的特征系统。众多典型算例的结果表明,预处理方法将可压缩流方法的计算能力拓展到了低马赫数范围,有效地提高了收敛速度和计算精度。对运动边界问题,动态网格生成是其非定常流场计算的一项重要工作。基于Delaunay图映射的动态网格变形方法无需迭代计算,效率高,稳定性好。但对大幅运动复杂构形的动边界问题,背景图容易交叉,重新生成背景图和重新定位网格点不仅费时而且会导致网格质量的严重下降。本文提出一种双重Delaunay图映射的动网格生成方法,通过在初始背景图中添加辅助点,生成虚实两种背景图和虚实两种映射关系。分别根据虚映射关系和虚背景图、实映射关系和实背景图,移动辅助点和网格点。复杂构形的扑翼算例表明,双重图映射方法多付出极少的内存代价即可避免背景图交叉引起的问题,提高了动网格生成的效率和质量,增强了处理大变形复杂动边界问题的强健性。本文也发展了一种非结构嵌套网格方法,并提出一种将Delaunay图映射网格变形技术和非结构嵌套网格方法结合使用的策略,解决网格变形和嵌套网格单独用于柔性扑翼流场计算时需要网格再生的问题。该方法为嵌套网格中的每个嵌于背景网格的贴体非结构网格生成Delaunay背景图;每个时间步,根据壁面的运动和变形规律移动背景图,再根据网格点和背景图的映射关系移动网格点,之后自动完成嵌套边界的定义和插值关系的建立。为方便嵌套关系的建立,嵌套网格进行分层管理。也研究了一种内存消耗少、效率较高的搜索算法,以及格心格式和格点格式统一的边界拓宽算法。数值模拟了小展弦比固定翼微型飞行器的低雷诺数流场,考察了小展弦比机翼在低雷诺数条件下的升阻力特性、流场流动机理,分析了翼尖涡和翼梢小翼对气动特性的影响,并对大攻角下流场的非定常现象进行了相关的讨论。数值研究的结果表明,低雷诺数小展弦比机翼的流场具有较复杂的三维效应,翼尖涡的存在对流场结构和升力、阻力的产生都有重要影响,涡的脱落和相互作用使得流场在大攻角下具有一定的非定常特征。建立了适当的三维仿鸟柔性扑翼模型,并以配平重力和平衡阻力为条件,数值计算了它的低雷诺数非定常流场,研究分析了仿鸟扑翼的流场涡结构、升力推力产生机制和气动功率。研究了二维柔性扑翼在不同斯德鲁哈尔数下的推力特性以及流场尾涡的分布特点。研究认为,扑翼平面的初始扭转程度、扑翼柔性材料的选择以及两者之间的合理搭配对扑翼机的成功飞行至关重要;下扑过程附着上翼面的前缘涡是升力产生的重要机制。数值研究了二维前后置双扑动翼的非定常流场,考察了前后翼扑动的相位差、水平距离、频率和攻角等参数对其气动力和气动效率的影响,并对前后翼之间存在的气动干扰进行了分析。蜻蜓能通过改变前后翼间的相位实现对不同飞行姿态的控制。本文数值模拟了三维蜻蜓模型在悬停(前进比J=0)和中等前飞速度(J=0.3)两种状态下的流场,每种状态各计算从0o至360o间隔30o的13个不同相位。考察气动力和气动功率随相位的变化关系以及前后翼间的气动干扰,也分析了流场涡结构和气动力的产生机制。结果发现,平均举力和平均气动功率随相位的变化呈U型分布,举力足够用于平衡重力,气动功率也符合蜻蜓真实飞行的统计数据。90o～270o的较宽相位范围内,两翼间的气动干扰较为强烈且比较稳定,该范围内能量消耗较小,功率最省,在一定程度上解释了蜻蜓翼具有特定相位的现象。对仿鸟扑翼微型飞行器进行了流场显示试验。在低速风洞中,采用高速摄影仪实时拍摄了扑翼机的烟线流场,获得了对仿鸟扑翼非定常流场的直观认识。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-20
第一章绪论  20-37
  1.1 研究背景  20-21
  1.2 自然界的扑翼飞行  21-26
    1.2.1 翅膀结构  21-22
    1.2.2 飞行方式  22-24
    1.2.3 扑动频率及动态比例关系  24-26
  1.3 微型飞行器的发展  26-28
    1.3.1 固定翼微型飞行器  26-27
    1.3.2 旋翼微型飞行器  27
    1.3.3 固定翼＋扑翼微型飞行器  27-28
    1.3.4 扑翼微型飞行器  28
  1.4 低雷诺数与非定常空气动力特性的研究现状  28-34
    1.4.1 低雷诺数空气动力特征及其研究难点  28-30
    1.4.2 扑翼空气动力学相关的试验研究  30
    1.4.3 扑翼空气动力学相关的数值研究  30-31
    1.4.4 扑翼高升力的非定常机制  31-34
  1.5 低雷诺数空气动力学研究的困难与挑战  34-35
  1.6 本文研究的目标和内容  35-37
第二章低雷诺数定常/非定常流场的数值计算方法  37-54
  2.1 流体控制方程  38-40
  2.2 低雷诺数定常流的预处理技术  40-41
  2.3 非定常流的预处理双时间步  41-42
  2.4 方程离散与求解  42-46
    2.4.1 有限体积法空间离散  42-44
    2.4.2 时间离散  44-45
    2.4.3 隐式LU-SGS 迭代  45-46
  2.5 边界条件  46-47
  2.6 几何守恒定律  47-48
  2.7 SPALART-ALLMARAS 湍流模型  48-50
  2.8 非结构混合网格  50-51
  2.9 气动力计算  51-52
  2.10 程序流程图  52
  2.11 本章小结  52-54
第三章动态网格的生成  54-69
  3.1 双重DELAUNAY 图映射的动态网格生成  55-61
    3.1.1 Delaunay 图映射的网格变形原理  55-56
    3.1.2 双重Delaunay 图映射方法  56-58
    3.1.3 添加辅助点的原则  58-59
    3.1.4 双重图映射方法生成动网格的质量和效率  59
    3.1.5 双重图映射方法的应用实例  59-61
  3.2 非结构嵌套网格方法  61-65
    3.2.1 网格分层  62-63
    3.2.2 嵌套边界的确定  63-64
    3.2.3 嵌套边界的拓宽  64-65
    3.2.4 网格间的插值  65
  3.3 非结构可变形嵌套网格技术  65-67
  3.4 本章小结  67-69
第四章算例验证  69-87
  4.1 定常流动  69-76
    4.1.1 NACA0012 翼型低速层流绕流  69-70
    4.1.2 平板层流流动和湍流流动  70-72
    4.1.3 Re=40 的定常圆柱绕流  72-73
    4.1.4 Eppler 387 低雷诺数翼型的层流分离泡  73
    4.1.5 小展弦比NACA0012 翼的低雷诺数湍流绕流  73-75
    4.1.6 Onera M6 机翼跨声速绕流  75-76
  4.2 非定常流动  76-86
    4.2.1 Re=200 的非定常圆柱绕流  76
    4.2.2 静态流体中直线周期摆动的圆柱  76-79
    4.2.3 NACA0014 翼型上下扑动的流场  79-80
    4.2.4 NACA0012 翼周期俯仰运动的湍流流场  80-83
    4.2.5 三维果蝇翼拍动流场  83-86
  4.3 本章小结  86-87
第五章固定翼微型飞行器的气动特性与设计分析  87-103
  5.1 15CM 微型飞行器气动布局  87-90
    5.1.1 不同布局形状15cm 机翼的低雷诺数特性比较  87-89
    5.1.2 CN09 型15cm 微型飞行器的布局设计  89-90
  5.2 升阻力及力矩特性  90
  5.3 流动特征  90-93
  5.4 翼尖涡  93-95
  5.5 上翼面的流动分离  95-98
  5.6 端板效应  98-101
  5.7 大攻角非定常现象  101-102
  5.8 本章小结  102-103
第六章仿鸟扑翼微型飞行器气动特性与设计分析  103-122
  6.1 柔性扑翼模型  103-105
  6.2 重力配平的参数设计与推力机理分析  105-109
  6.3 流场结构  109-114
  6.4 气动功率分析  114-115
  6.5 扑翼柔性对推力的影响  115-118
  6.6 与试验结果的比较  118-120
  6.7 本章小结  120-122
第七章仿蜻蜓微型飞行器的气动特性与设计分析  122-157
  7.1 二维前后置双扑翼的气动特性研究  123-132
    7.1.1 模型描述  123-124
    7.1.2 前翼扑动后翼静止与单翼扑动的流场比较  124-125
    7.1.3 前后翼同相扑动和反相扑动的流场比较  125-127
    7.1.4 前后翼的水平距离和相位差对气动特性的影响  127-129
    7.1.5 扑动频率对气动特性的影响  129-131
    7.1.6 来流攻角对气动特性的影响  131-132
  7.2 蜻蜓的飞行姿态和扑动规律  132-134
    7.2.1 飞行姿态  132-133
    7.2.2 悬停方式  133
    7.2.3 升力机理的两种模式  133-134
  7.3 仿蜻蜓双扑翼模型设计  134-136
    7.3.1 几何模型和网格  134-135
    7.3.2 参数设计  135-136
  7.4 仿蜻蜓扑翼模型的气动力分析  136-142
    7.4.1 周期平均的气动力  137-139
    7.4.2 气动力的周期变化规律  139-141
    7.4.3 阻力在悬停中的作用  141-142
  7.5 流场涡结构及气动力产生机理  142-147
  7.6 气动功率与效率  147-150
  7.7 气动干扰分析  150-153
  7.8 翼翻转时间的研究  153-154
  7.9 上下行程时间比的研究  154-156
  7.10 本章小结  156-157
第八章扑翼微型飞行器流场的试验研究  157-167
  8.1 试验设备及模型  157-159
    8.1.1 低速风洞  157
    8.1.2 流场显示系统  157-158
    8.1.3 扑翼试验模型  158
    8.1.4 试验方案  158-159
  8.2 试验结果与分析  159-166
    8.2.1 非定常前缘涡  159-162
    8.2.2 前缘涡的脱落  162-164
    8.2.3 不同展向截面的比较  164
    8.2.4 尾涡的分布  164-165
    8.2.5 数值计算结果与试验的比较  165-166
  8.3 本章小结  166-167
第九章总结与展望  167-171
  9.1 工作进展总结  167-168
  9.2 论文创新点  168-169
  9.3 研究方法和成果的应用  169-170
  9.4 未来工作展望  170-171
参考文献  171-183
致谢  183-184
在学期间的研究成果及发表的学术论文  184-185

低雷诺数非定常流场的数值方法及其在微型飞行器上的应用

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