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双三角翼非定常分离流动的数值模拟研究

作　者: 陈亮中
导　师: 邓小刚
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 双三角翼 大攻角 非定常流动 迟滞环 微可压缩模型
分类号: V271.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


先进战斗机要求在大攻角时具有过失速机动飞行性能,其中向上快速拉升和俯仰运动是实现战术机动的两个典型动作。为了协调不同速度范围对机翼平面形状的需求,现代战斗机设计通常采用三角翼/双三角翼或者类似外形的机翼布局。因此,开展对三角翼/双三角翼静止时的大攻角分离流场和俯仰运动时的动态流场中非线性特性的研究、深入认识分离流场及其动态特性、全面掌握大攻角下的各种非定常流动现象及其产生机理是实现超机动飞行所必须的。本文的研究目的是发展适用于双三角翼大攻角非定常分离流场模拟的数值方法,围绕某一战斗机的两个简化外形,开展双三角翼静态时的流场特性随攻角的变化规律、快速拉升及俯仰振荡时的动态流场特性以及不同运动参数对动态流场结构及气动特性的影响规律等内容研究;围绕低速流动,开展了数值模拟方法的研究,发展了微可压缩模型,扩大了该模型的应用范围。全文共八章,各章主要内容概述如下:第一章简述了开展本文研究工作的意义;综述了对三角翼/双三角翼大攻角非定常分离流场和俯仰动态流场研究的现状和进展情况;简要地介绍了本文完成的主要工作。第二章系统地介绍本文中采用的数值方法,包括:控制方程、边界条件、空间离散格式、方程组求解、湍流模型、动网格生成技术、多重网格算法、并行计算和非定常气动力系数积分等几个内容。第三章通过对几个拥有丰富实验数据或理论结果的流场进行数值模拟研究,考核了基于第二章中的数值方法而开发的计算程序的空间计算精度和时间计算精度,重点考察了计算程序对三角翼和椭球等外形在大攻角下的非定常湍流分离流动的模拟精度。第四章数值研究了静态双三角翼在不同攻角下的流场特性,分析了背风区流场中分离涡系的空间分布特点和不同涡系之间的相互作用;给出了流场特性和气动力特性随攻角的变化规律;确定了不同流态存在的攻角区间;比较和分析了两个不同前翼平面形状的双三角翼流场结构和气动力性能的差异。第五章数值研究了双三角翼向上快速拉升时的动态流场特性,给出了动态流场结构和气动力性能随攻角的变化规律;重点研究了减缩频率、起始攻角和转轴位置等运动参数对动态流场特性的影响,并初步分析了这些运动参数对动态流场施加影响的物理机制;比较和分析了两个不同前翼平面形状的双三角翼动态气动力性能的差异。第六章数值研究了双三角翼俯仰振荡时的动态流场特性,给出了动态流场结构和气动力性能随攻角的变化规律;重点研究了减缩频率、转轴位置、平均攻角和振幅等参数对动态流场迟滞效应和气动力曲线迟滞环的影响;比较和分析了两个不同前翼平面形状的双三角翼动态气动力性能的差异。第七章开展了对微可压缩模型的研究,深入分析了几种方程处理形式的优缺点;在原始SCM模型的基础上将求解压力变量本身改为求解压力改变量,降低了计算机截断误差的影响;并引入多重网格算法和并行计算技术,实现了计算过程的加速;初步地将SCM模型应用于大攻角分离流场的数值模拟研究。第八章是结束语,总结了全文的工作,并对今后的研究方向提出了一些想法。最后是本文的致谢和参考文献。

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章 引言  12-27
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 三角翼／双三角翼分离流场中的非定常、非线性现象  13-21
    1.2.1 机翼静态时的流场特性及其研究  14-19
    1.2.2 机翼俯仰运动时的流场特性及其研究  19-21
  1.3 大攻角分离流场数值模拟研究的进展  21-25
    1.3.1 数值方法的研究与发展  22-24
    1.3.2 湍流模型的研究与直甬  24-25
    1.3.3 强迫俯仰运动的数值研究  25
  1.4 本文主要工作  25-27
第二章 数值方法  27-52
  2.1 前言  27
  2.2 控制方程  27-34
    2.2.1 直角坐标系下NS方程的无量纲形式  27-29
    2.2.2 曲线坐标系下NS方程的无量纲形式  29-30
    2.2.3 控制方程的空间离散  30-31
    2.2.4 边界条件  31-34
  2.3 离散方程的计算  34-38
    2.3.1 显式方法  34
    2.3.2 隐式方法  34-38
  2.4 湍流模型  38-42
    2.4.1 spalart-Allmaras(sA)-方程湍流模型  38-39
    2.4.2 SSTk-ω两方程湍流模型  39-41
    2.4.3 湍流模型方程的统一形式  41
    2.4.4 湍流模型方程的离散  41
    2.4.5 湍流模型的边界条件  41-42
    2.4.6 湍流模型离散方程的求解  42
  2.5 网格生成  42-44
    2.5.1 静态网格生或  42
    2.5.2 动态网格生或  42-43
    2.5.3 几何守恒率  43-44
  2.6 缩短计算周期的技术  44-49
    2.6.1 多重网格算法  44-47
    2.6.2 并行计算  47-49
  2.7 气动力系数和摩阻系数的计算  49-51
    2.7.1 气动力的计算  49-50
    2.7.2 气动力系数的计算  50
    2.7.3 压力系数的计算  50
    2.7.4 摩阻系数的计算  50-51
  2.8 本章小结  51-52
第三章 数值方法及程序验证  52-85
  3.1 前言  52
  3.2 定常流动  52-58
    3.2.1 平扳层流边界流动  52-53
    3.2.2 平扳湍流边界层流动  53-54
    3.2.3 翼型湍流流场  54-55
    3.2.4 椭球湍流流场  55-56
    3.2.5 Hummel 单三角翼分离流动  56-58
  3.3 非定常流动  58-60
    3.3.1 圆柱层流周期涡脱落  58-59
    3.3.2 NACA0012翼型俯仰振荡  59-60
    3.3.3 76~0后掠角三角翼快速拉升  60
  3.4 多重网格算法  60-61
  3.5 并行计算  61-62
  3.6 本章小结  62-63
  附图  63-85
第四章 静态双三角翼分离流场特性研究  85-118
  4.1 前言  85-86
  4.2 C70静态时的分离流场及气动特性研究  86-91
    4.2.1 分离涡系的相互干扰  86-87
    4.2.2 分离流场的非对称性  87-88
    4.2.3 分离涡的破裂  88-89
    4.2.4 背瓯区对称面附近的流场特征  89-90
    4.2.5 气动力特性  90-91
  4.3 前翼平面形状对双三角翼分离流场的影响  91-93
    4.3.1 前翼平面形状对气动力性能的影响  91-92
    4.3.2 前翼平面形状对流场结构及其演变过程的影响  92
    4.3.3 前翼平面形状对非定常特性的影响  92-93
  4.4 双三角翼分离流场的特征区间  93
  4.5 本章小结  93-95
  附图  95-118
第五章 双三角翼快速拉升时分离流场的数值模拟研究  118-143
  5.1 前言  118-119
  5.2 快速拉升时流场特征的影响因素  119-125
    5.2.1 减缩频率的影响  120-122
    5.2.2 转轴位置的影响  122-124
    5.2.3 起始攻角的影响  124-125
  5.3 C70和C71向上拉升时动态流场的比较  125-126
  5.4 本章小结  126-127
  附图  127-143
第六章 双三角翼俯仰振荡时流场特性的数值研究  143-174
  6.1 前言  143-144
  6.2 俯仰振荡动态流场特点  144-145
  6.3 俯仰振荡流场特征的影响因素  145-150
    6.3.1 减缩频率的影响  145-146
    6.3.2 转轴位置的影响  146-147
    6.3.3 平均攻角和振幅的影响  147-150
  6.4 前翼平面形状对俯仰振荡流场的影响  150-151
  6.5 本章小结  151-153
  附图  153-174
第七章 低速流动数值模拟方法研究  174-201
  7.1 前言  174-175
  7.2 微可压缩模型的理论基础  175-177
  7.3 微可压缩模型控制方程组的发展  177-184
    7.3.1 原始形式的SCM模型  177-179
    7.3.2 SCM模型的预处理形式  179
    7.3.3 采用双时间步的SCM模型预处理形式  179-182
    7.3.4 本文对SCM模型的一点改进  182-184
  7.4 改进的SCM模型的算法考核  184-187
    7.4.1 无粘圆柱绕流  184-185
    7.4.2 圆柱低雷诺数绕流  185
    7.4.3 圆球低雷诺数绕流  185-186
    7.4.4 椭球湍流绕流  186-187
  7.5 改进的SCM模型的初步应用  187-189
    7.5.1 Hummel 三角翼绕流  187-189
  7.6 本章小结  189-190
  附图  190-201
第八章 结束语  201-205
致谢  205-207
参考文献  207-219

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 各类型航空器 > 飞机 > 军用飞机（战机）
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