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双三角翼背风区大范围分离与旋涡运动的DES模拟研究

作　者: 孙东
导　师: 张涵信; 李沁
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 双三角翼脱体涡模拟大范围分离新型横流涡
分类号: V211.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

现代战机不仅仅对速度提出了很高的要求，而且要求飞机具有优良的机动性。双三角翼构型或是边条/机翼的构型由于其背风面的涡流结构可以提供较普通三角翼更高的稳定性以及机动性成为现代战机和一些高速民航飞行器的常用布局之一。但是在高雷诺数大攻角情况下，双三角翼背风区的涡流运动十分复杂，伴有大范围分离，并且有很强的非线性效应。本文采用DES方法对其进行求解。DES方法是Spalart提出的，被认为是一种工程应用上切实可行、能够准确预测大尺度分离的数值模拟方法。本文通过采用DES方法对双三角翼背风区流动进行模拟，对其旋涡结构、涡破裂、气动特性以及新型横流涡现象进行分析。主要分为以下几个部分：第一章分为两个部分，一方面从DES与其他湍流模拟方法的比较出发，介绍DES方法的构造，并对DES方法的进一步发展如DDES，IDDES等进行了介绍，另外讨论了DES方法在基础研究以及工程应用中的发展现状。另一方面，从实验研究和数值模拟两个方面介绍了双三角翼的研究背景以及研究现状。第二章主要对DES模拟计算中所采用的数值方法进行介绍。首先给出了两种DES方法SA-DES和ML-DES方法在直角坐标系下的构造过程。其次从三阶迎风偏置格式和五阶迎风偏置格式出发，发展出了可以通过自由参数调节格式π耗散（格式Fourier变换的虚部在约化波数为π时的耗散）的混合型三阶格式和四阶格式，在本章的最后，还介绍了一类面向工程应用的新型三阶格式。第三章主要是对一些经典低速问题的验证，包括层流算例，定常湍流算例以及非定常DES算例。在层流算例包括层流平板、方腔、圆柱等简单层流问题，对于定常湍流算例采用的是湍流平板，最后对于DES问题，采用了两个较为经典的问题进行计算验证。结果表明，算法不但对于定常层流和湍流问题有很好的模拟能力，对于圆柱绕流和大攻角翼型等这类带有大范围分离的流动现象也有较好的模拟能力。第四章主要利用DES方法对双三角翼背风区流场进行数值模拟，对于模拟得到的旋涡流场结构进行分析。首先给出了不同攻角流场的表面极限流线的拓扑，并将10度攻角和22.5度攻角情况下的表面极限流线与Verhaagen的实验结果进行对比，比较显示计算结果定性上与实验符合较好；接着，给出了10度攻角情况下，在流向不同截面上的旋涡拓扑，截面上的旋涡位置与实验符合得较好。计算还给出了10度攻角以及22.5度攻角情况下不同流向位置处的压力系数分布，并与Verhaagen得到的实验结果进行了对比；接着，给出了双三角翼翼面上的旋涡破裂位置的预测结果，以及35度攻角下的旋涡破裂形态，并对破裂前后的极限环形态进行了分析；接着，通过对35度攻角下，轴向速度和压力沿涡轴的分布的分析，表明此时的旋涡结构与锥形流流动极为类似，并对其进行了分析。通过对压力分布空间曲面的俯视图的分析，给出了锥形流顶点的投影位置，证明其在双三角翼的顶点附近；在本章的最后给出了利用DES方法得到的边条上的剪切层失稳所产生的亚结构旋涡的清晰图像，并与相近后掠角（80）的三角翼剪切层失稳的实验图像进行了比较。第五章主要是对在计算过程中发现的双三角翼的新型横流涡现象进行了分析与确认。在这一章的开始阶段首先介绍了普通斜直机翼的横流涡现象及其产生原因，然后将其与双三角翼新型横流涡现象产生的原因进行比较，探讨两者不同之处；接着对不同攻角下的新型横流涡现象进行了定性的描述，并针对20度、22.5度和25度时的横流涡现象，定量分析、确定了旋涡移动速度、横流涡之间的间隔(波长)、减缩频率；接着，在对流场坐标进行变换后，对于横流涡的截面流态进行了拓扑分析，给出了奇点的分布规律；进一步，从横流涡的产生、横流速度型拐点的存在性和拐点与横流涡之间的关系三个方面对双三角翼新型横流涡机理进行了详细的分析与确认。通过分析发现，在新型横流涡中，拐点依然存在，这说明其发生机制还是由于无粘不稳定性，并且进一步研究发现，对于新型横流涡的发生，边条涡和机翼涡的诱导占主要地位，压力梯度占次要地位。另外压力梯度的方向与普通斜直机翼的压力梯度方向相反。第六章为结束语主要是总结论文的工作，并给出了下一步研究工作的方向。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章引言  11-17
  1.1 RANS/LES 混合方法的研究背景和现状  11-14
  1.2 双三角翼的研究背景和现状  14-15
  1.3 本文的主要工作  15-17
第二章数值方法  17-33
  2.1 控制方程  17-21
    2.1.1 正交坐标系下的控制方程  17-18
    2.1.2 曲线坐标系下的控制方程  18-19
    2.1.3 虚拟压缩方法  19-20
    2.1.4 边界条件  20-21
  2.2 时间迭代方法  21
  2.3 湍流模拟方法  21-25
    2.3.1 雷诺平均 N-S 方程和滤波 N-S 方程  21-23
    2.3.2 SA-DES  23-24
    2.3.3 ML-DES  24-25
  2.4 空间离散方法  25-30
    2.4.1 常用的三阶和五阶迎风偏置格式  25-26
    2.4.2 新型混合格式  26-29
    2.4.3 面向工程应用的一类新三阶格式  29-30
  2.5 本章小结  30-33
第三章典型问题验证计算  33-43
  3.1 层流计算验证  33-36
    3.1.1 层流平板  33-34
    3.1.2 层流方腔流动  34
    3.1.3 小雷诺数定常圆柱  34
    3.1.4 非定常圆柱  34-35
    3.1.5 球双锥热流计算——中心型三阶格式的初步应用  35-36
  3.2 湍流 RANS 算例验证  36-38
    3.2.1 湍流平板  36-38
  3.3 DES 验证计算  38-41
    3.3.1 三维圆柱绕流  38-40
    3.3.2 三维机翼大攻角绕流  40-41
  3.4 本章小结  41-43
第四章双三角翼背风区大范围分离与旋涡流场的 DES 模拟  43-63
  4.1 基本流场特征  43-51
    4.1.1 几何外形、网格以及计算条件  43-44
    4.1.2 表面极限流线拓扑分析  44-47
    4.1.3 截面流线拓扑以及压力分布  47-49
    4.1.4 背风区分离及旋涡空间结构演化  49-51
  4.2 双三角翼气动特性分析  51-52
  4.3 涡破裂的预测和涡破裂的类型  52-55
    4.3.1 涡破裂的预测  52-53
    4.3.2 涡破裂的主要类型  53-55
  4.4 旋涡结构分区与锥形流  55-60
  4.5 剪切层失稳与旋涡亚结构  60-61
  4.6 本章小结  61-63
第五章双三角翼新型横流不稳定性与横流涡研究  63-81
  5.1 新型横流不稳定性与普通横流不稳定性  63-65
  5.2 新型横流涡现象及其定量特征  65-68
  5.3 双三角翼横流涡截面流态的拓扑分析  68-70
  5.4 新型横流不稳定性发生机制的分析、验证与确认  70-76
    5.4.1 横流的产生  70-72
    5.4.2 拐点的存在性  72-73
    5.4.3 拐点与横流涡列的关系  73-76
  5.5 新型横流涡对气动力的影响分析  76-79
  5.6 本章小结  79-81
第六章结束语  81-83
致谢  83-84
个人简历  84-85
参考文献  85-89

双三角翼背风区大范围分离与旋涡运动的DES模拟研究

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