本文關(guān)鍵詞：基于混合網(wǎng)格的飛行器大迎角DES類(lèi)數(shù)值模擬方法研究

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【摘要】：大迎角分離流動(dòng)是現(xiàn)代飛行器氣動(dòng)特性研究中的常見(jiàn)問(wèn)題,其重要的應(yīng)用價(jià)值不言而喻。然而,迄今為止要對(duì)此類(lèi)流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)是非常困難的,數(shù)值模擬的可信度往往難以令人滿意。這一方面是由于物理外形過(guò)于復(fù)雜,難以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,影響了數(shù)值解的精準(zhǔn)度。另一方面是由于流動(dòng)中包含了許多非定常、非線性的物理機(jī)制,給數(shù)值模擬方法帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。面對(duì)這一難題,本文從湍流模型、數(shù)值格式、計(jì)算網(wǎng)格三個(gè)關(guān)鍵因素出發(fā),開(kāi)展了相關(guān)探索和研究,期望能夠建立一套更加工程可靠的數(shù)值模擬方法,進(jìn)一步提高復(fù)雜飛行器大迎角氣動(dòng)特性數(shù)值模擬能力。由于非結(jié)構(gòu)/混合網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜外形具有良好的適應(yīng)性,因此全文的研究以此類(lèi)網(wǎng)格為基礎(chǔ)。針對(duì)大迎角大范圍分離湍流模擬問(wèn)題,本文選用了當(dāng)前最具工程應(yīng)用前景的脫體渦模擬(DES)模型。鑒于傳統(tǒng)二階精度迎風(fēng)格式具有較大的數(shù)值耗散和色散,不利于多尺度湍流結(jié)構(gòu)的精細(xì)模擬,本文發(fā)展了一種基于原始Roe格式的自適應(yīng)耗散混合格式,較好地控制了數(shù)值耗散對(duì)DES類(lèi)模擬的影響,同時(shí)還建立了網(wǎng)格自適應(yīng)方法,可以高效地增加DES類(lèi)模擬流場(chǎng)的空間分辨率。最后基于這些改進(jìn)措施進(jìn)行了三角翼和現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)構(gòu)型的大迎角分離流動(dòng)IDDES模擬,并初步開(kāi)展了飛行器大振幅俯仰運(yùn)動(dòng)的IDDES模擬,計(jì)算與試驗(yàn)兩者數(shù)據(jù)較為吻合,表明本文算法具有良好的應(yīng)用前景。全文分為七章。第一章為引言,簡(jiǎn)要介紹了飛行器大迎角氣動(dòng)特性研究的背景和意義;綜述了國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展,包括機(jī)理研究、試驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值離散方法、湍流模擬方法、網(wǎng)格技術(shù)等方面的發(fā)展概況;最后簡(jiǎn)述了本文的主要工作。第二章介紹了本文采用的數(shù)值模擬方法。為了提高二階精度有限體積算法的湍流數(shù)值模擬能力,在原始Roe格式基礎(chǔ)上建立了與DES類(lèi)方法相匹配的自適應(yīng)耗散混合格式;通過(guò)Fourier分析討論了不同格式的色散、耗散特性,研究表明在二階精度下混合格式的數(shù)值特性有利于DES類(lèi)模擬;分別基于Spalart-Allmaras(SA)一方程湍流模型和k-ω剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)兩方程湍流模型,建立了基于非結(jié)構(gòu)/混合網(wǎng)格的DES類(lèi)方法。第三章對(duì)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了算例驗(yàn)證。首先利用均勻各向同性衰減湍流算例對(duì)整套DES算法的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定;然后通過(guò)雷諾數(shù)(Re)為3900的圓柱繞流、NACA0021翼型60°大迎角分離流動(dòng)、超聲速圓柱底部流動(dòng)和NACA0012翼型俯仰振蕩等典型算例,對(duì)本文DES類(lèi)方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。計(jì)算表明,DES類(lèi)方法的數(shù)值表現(xiàn)總體優(yōu)于RANS方法,而采用混合格式的DES類(lèi)算法能夠有效減小數(shù)值耗散對(duì)DES類(lèi)計(jì)算的影響,解析出更小尺度的湍流旋渦結(jié)構(gòu),計(jì)算數(shù)據(jù)更接近試驗(yàn)值。第四章描述了本文建立的混合網(wǎng)格自適應(yīng)方法,其目的是期望將DES類(lèi)方法、混合格式、網(wǎng)格分布三者有機(jī)結(jié)合在一起,在進(jìn)一步提高數(shù)值解分辨率的同時(shí)又盡可能地減少工作量。自適應(yīng)策略采用了h type方式;對(duì)于自適應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的懸空點(diǎn),通過(guò)向相關(guān)網(wǎng)格單元插入對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn),來(lái)消除其影響,使網(wǎng)格單元之間完全相容,自適應(yīng)生成的網(wǎng)格可直接用于計(jì)算;最后,由一些簡(jiǎn)單算例驗(yàn)證了程序的正確性。第五章進(jìn)行了65°后掠三角翼旋渦流動(dòng)的數(shù)值模擬,對(duì)自適應(yīng)耗散混合格式、網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)和IDDES方法開(kāi)展了綜合應(yīng)用。計(jì)算發(fā)現(xiàn):采用原始Roe格式的IDDES計(jì)算僅模擬出了泡型渦破裂,而采用自適應(yīng)耗散混合格式的IDDES計(jì)算模擬出了泡型、螺旋型和雙螺旋型等渦破裂形態(tài);基于自適應(yīng)網(wǎng)格的IDDES計(jì)算則捕捉到更為精細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。第六章開(kāi)展了復(fù)雜飛行器大迎角分離流數(shù)值模擬的應(yīng)用,選取的外形為類(lèi)F22戰(zhàn)斗機(jī)模型。首先簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)洞試驗(yàn)情況。隨后進(jìn)行了靜態(tài)大迎角分離流的計(jì)算。從預(yù)測(cè)的氣動(dòng)力系數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)看,IDDES模型相對(duì)于RANS模型仍然具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由流動(dòng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)比較表明,IDDES模擬流場(chǎng)具有更強(qiáng)的三維非定常特性。最后,初步數(shù)值模擬了類(lèi)F22戰(zhàn)斗機(jī)模型大振幅俯仰運(yùn)動(dòng),考慮到計(jì)算網(wǎng)格的尺度較粗以及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的誤差修正等不確定因素,IDDES計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相符程度還是不錯(cuò)的。第七章結(jié)束語(yǔ),總結(jié)了本文的工作,指出了其中的不足,并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：大迎角 大分離流 脫體渦模擬 耗散自適應(yīng) 網(wǎng)格自適應(yīng) 有限體積法 混合網(wǎng)格
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V211.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 引言11-23
• §1.1 研究背景11-13
• §1.2 飛行器大迎角分離流動(dòng)相關(guān)機(jī)理研究的進(jìn)展13-14
• §1.3 大迎角風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀14-16
• §1.4 大迎角分離流數(shù)值模擬技術(shù)的研究進(jìn)展16-20
• §1.4.1 網(wǎng)格生成技術(shù)研究進(jìn)展16-18
• §1.4.2 湍流數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展18-19
• §1.4.3 數(shù)值離散方法發(fā)展現(xiàn)狀19-20
• §1.5 本文研究?jī)?nèi)容20-23
• 第二章 數(shù)值計(jì)算方法23-40
• §2.1 控制方程23-29
• §2.1.1 NS方程23-25
• §2.1.2 湍流模型方程25-29
• §2.2 空間離散方法29-35
• §2.2.1 無(wú)黏數(shù)值通量29-31
• §2.2.2 格式耗散調(diào)節(jié)系數(shù)影響分析31-34
• §2.2.3 黏性數(shù)值通量34-35
• §2.3 時(shí)間離散35-36
• §2.4 邊界條件處理36-38
• §2.4.1 物面邊界條件36
• §2.4.2 遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件36-38
• §2.4.3 周期邊界條件38
• §2.5 幾何守恒律38
• §2.6 網(wǎng)格分區(qū)及并行計(jì)算38-39
• §2.7 小結(jié)39-40
• 第三章 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證40-62
• §3.1 均勻各向同性衰減湍流40-42
• §3.2 雷諾數(shù)為3900的圓柱繞流42-46
• §3.3 NACA0021翼型 60°大迎角分離流動(dòng)46-52
• §3.4 超聲速圓柱底部流動(dòng)52-54
• §3.5 NACA0012翼型俯仰振蕩54-61
• §3.6 小結(jié)61-62
• 第四章 混合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)62-82
• §4.1 自適應(yīng)策略62-66
• §4.2 關(guān)聯(lián)信息的解析66-68
• §4.3 新網(wǎng)格數(shù)據(jù)的生成68-74
• §4.4 自適應(yīng)判據(jù)74
• §4.5 網(wǎng)格分布的優(yōu)化74-75
• §4.6 自適應(yīng)與并行計(jì)算的耦合75
• §4.7 自適應(yīng)計(jì)算基本執(zhí)行流程75-77
• §4.8 網(wǎng)格自適應(yīng)算例驗(yàn)證77-81
• §4.8.1 雷諾數(shù)為40的圓柱繞流77-78
• §4.8.2 超聲速圓柱繞流78-79
• §4.8.3 M6跨聲速機(jī)翼79-81
• §4.9 小結(jié)81-82
• 第五章 三角翼大迎角氣動(dòng)特性DES類(lèi)模擬82-93
• §5.1 65°后掠三角翼旋渦流動(dòng)模擬82-86
• §5.2 65°后掠三角翼自適應(yīng)計(jì)算86-92
• §5.3 小結(jié)92-93
• 第六章 復(fù)雜飛行器大迎角氣動(dòng)特性DES類(lèi)模擬93-105
• §6.1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介93-94
• §6.2 靜態(tài)大迎角DES類(lèi)模擬94-101
• §6.3 大迎角俯仰運(yùn)動(dòng)DES類(lèi)模擬101-104
• §6.4 小結(jié)104-105
• 第七章 結(jié)束語(yǔ)105-108
• §7.1 本文工作總結(jié)105-106
• §7.2 后續(xù)工作展望106-108
• 致謝108-110
• 個(gè)人簡(jiǎn)介110-111
• 參考文獻(xiàn)111-121

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