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推力转向喷流与高速主流干扰的数值模拟研究

作　者: 司芳芳
导　师: 李建强；袁先旭
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 推力转向喷流推力矢量马赫数绕流飞行攻角超声速主流数值模拟研究尾迹流动喷管喉道大迎角机动气动特性操纵面轴对称矢量喷管干扰效应低速翼型激波混合模型流场结构壁面压力
分类号: V211.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 58次
引　用: 1次
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内容摘要

新一代战斗机要求具有良好的机动性和短距离起降性能。在进行大迎角机动飞行时,飞机绕流现象复杂,流动分离严重,垂尾等操纵面浸没在尾迹流动之中,操纵面效率急剧降低甚至完全失效,通过操纵面偏转获得所需控制力和力矩的方法,已经很难满足大迎角机动的要求,必须采用推力矢量控制技术。推力矢量技术作为第四代战斗机设计的一项关键技术,从上个世纪八十年代开始,美国就开展了广泛的研究,包括理论与计算分析、缩比模型试验、飞行模拟器仿真和飞行演示验证等多种手段,并已成功应用于F-22、F-35等第四代主力战机中。主流与推力矢量尾喷流的干扰效应是推力矢量技术研究的一个主要方面。值得注意的是,推力矢量尾喷流干扰效应与传统喷管的干扰效应是相当不同的,传统喷管的干扰效应是一种弱扰动,而推力矢量尾喷流干扰效应则是一种强扰动,并强烈依赖于机身/推进系统的集成设计。显而易见,研究主流与推力矢量尾喷流的干扰效应规律和机理将是机身/推进系统优化集成设计的基础,有明确的应用背景。本文采用数值模拟方法,针对一种简化的飞机模型,数值研究了推力矢量尾喷流与高速主流的干扰效应,系统总结了来流马赫数、攻角、喷管偏转角、喷流马赫数、喷流总压、喷流总温等参数对飞机气动特性的影响规律,分析了流动机理,为后续试验研究提供一定的指导。全文共分五章:第一章是引言,论述了推力矢量技术的研究背景,综述了国内外推力矢量技术的研究方法和研究进展,明确了推力矢量喷流与主流干扰效应研究的意义。第二章是数值计算方法,介绍了本文研究采用的控制方程、空间离散格式、时间推进方法、边界条件和湍流模拟方法等,尤其是详细介绍了一种自主发展的基于湍流尺度混合的RANS/LES混合模型及其若干改进方法。第三章是算例验证,通过一系列典型算例对改进的RANS/LES混合模型和计算软件FLY3D进行了考核验证,包括跨声速翼型粘性绕流、低速翼型大迎角绕流、低速圆柱绕流和超声速圆柱底部绕流,均给出了与实验较为一致或接近的结果,验证了改进的RANS/LES混合模型和计算软件FLY3D的适用性。第四章是简化战斗机模型推力转向喷流与高速主流干扰效应研究,介绍了计算模型、计算网格和具体边界条件,系统研究了来流马赫数、攻角、喷管偏转角、喷流马赫数、喷流总压、喷流总温等参数对飞机气动特性的影响规律,结果表明:对于该简化战斗机模型,推力矢量尾喷流对高速主流的干扰局限于尾部局部区域,对全机气动特性的影响较小,仅在较大攻角下才有一定体现;但高速主流对尾喷流的干扰显著,推力矢量角损失随来流马赫数和攻角的增大而增大。第五章是结束语,总结了研究工作,并展望了需进一步深化的研究方向。最后是致谢和参考文献。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章引言  9-21
  1.1 研究背景和意义  9-11
  1.2 国内外推力矢量技术研究进展  11-18
    1.2.1 国外推力矢量技术研究进展  11-17
    1.2.2 国内推力矢量技术研究进展  17-18
  1.3 推力矢量技术的研究方法  18-19
  1.4 本文工作  19-21
第二章数值计算方法  21-51
  2.1 控制方程  21-27
    2.1.1 N-S 方程  21-24
    2.1.2 坐标变换  24-27
  2.2 湍流模拟方法  27-33
    2.2.1 RANS 方程  28-29
    2.2.2 空间滤波的LES 方程  29-30
    2.2.3 原RANS/LES 混合模型  30-31
    2.2.4 改进的RANS/LES 混合模型  31-33
  2.3 空间离散  33-41
    2.3.1 JAMESON 中心差分  34-36
    2.3.2 MUSCL 插值和通量重构  36-41
  2.4 时间推进  41-48
    2.4.1 定常问题（LU-SGS 方法）  43-44
    2.4.2 非定常问题（混合通量分裂隐式迭代NND 算法）  44-47
    2.4.3 非定常问题（双时间隐式迭代推进方法）  47-48
  2.5 边界条件  48-50
    2.5.1 开边界条件  48-49
    2.5.2 物面边界条件  49-50
    2.5.3 奇性轴边界  50
  2.6 本章小结  50-51
第三章算例验证  51-67
  3.1 翼型绕流  51-56
    3.1.1 跨声速NACA0012 翼型粘性绕流  51-54
    3.1.2 低速NACA0015 翼型高雷诺数静态失速绕流  54-56
  3.2 低速圆柱绕流  56-61
    3.2.1 2D 圆柱模拟  57-59
    3.2.2 3D 圆柱模拟  59-61
  3.3 超声速底部流动  61-66
    3.3.1 网格GRIDA 计算结果  63-65
    3.3.2 网格GRIDB 计算结果  65-66
  3.4 本章小结  66-67
第四章推力转向喷流/高速主流干扰参数影响规律研究  67-106
  4.1 计算方法  67-72
    4.1.1 数值方法  67
    4.1.2 边界条件  67-69
    4.1.3 计算模型和网格  69-72
  4.2 计算条件  72
  4.3 网格的影响  72-75
  4.4 典型状态的数值计算结果  75-105
    4.4.1 来流马赫数影响  75-81
    4.4.2 飞行攻角影响  81-91
    4.4.3 喷流总压影响  91-96
    4.4.4 喷流马赫数影响  96-101
    4.4.5 喷流总温影响  101-105
  4.5 本章小结  105-106
第五章结束语  106-108
  5.1 本文总结  106-107
  5.2 工作展望  107-108
附录隐式部分法向粘性通矢量的近似处理  108-110
致谢  110-111
作者简历  111
攻读硕士学位期间发表的学术论文  111-112
参考文献  112-113

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