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

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【摘要】：大迎角分離流動是現(xiàn)代飛行器氣動特性研究中的常見問題,其重要的應(yīng)用價值不言而喻。然而,迄今為止要對此類流動進行準確地預(yù)測是非常困難的,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)值解的精準度。另一方面是由于流動中包含了許多非定常、非線性的物理機制,給數(shù)值模擬方法帶來嚴峻挑戰(zhàn)。面對這一難題,本文從湍流模型、數(shù)值格式、計算網(wǎng)格三個關(guān)鍵因素出發(fā),開展了相關(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,進一步提高復(fù)雜飛行器大迎角氣動特性數(shù)值模擬能力。由于非結(jié)構(gòu)/混合網(wǎng)格對復(fù)雜外形具有良好的適應(yīng)性,因此全文的研究以此類網(wǎng)格為基礎(chǔ)。針對大迎角大范圍分離湍流模擬問題,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DES類模擬的影響,同時還建立了網(wǎng)格自適應(yīng)方法,可以高效地增加DES類模擬流場的空間分辨率。最后基于這些改進措施進行了三角翼和現(xiàn)代戰(zhàn)斗機構(gòu)型的大迎角分離流動IDDES模擬,并初步開展了飛行器大振幅俯仰運動的IDDES模擬,計算與試驗兩者數(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,簡要介紹了飛行器大迎角氣動特性研究的背景和意義;綜述了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進展,包括機理研究、試驗技術(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類方法相匹配的自適應(yīng)耗散混合格式;通過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(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類方法。第三章對數(shù)值模擬方法進行了算例驗證。首先利用均勻各向同性衰減湍流算例對整套DES算法的經(jīng)驗參數(shù)進行了標定;然后通過雷諾數(shù)(Re)為3900的圓柱繞流、NACA0021翼型60°大迎角分離流動、超聲速圓柱底部流動和NACA0012翼型俯仰振蕩等典型算例,對本文DES類方法進行了檢驗。計算表明,DES類方法的數(shù)值表現(xiàn)總體優(yōu)于RANS方法,而采用混合格式的DES類算法能夠有效減小數(shù)值耗散對DES類計算的影響,解析出更小尺度的湍流旋渦結(jié)構(gòu),計算數(shù)據(jù)更接近試驗值。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類方法、混合格式、網(wǎng)格分布三者有機結(jié)合在一起,在進一步提高數(shù)值解分辨率的同時又盡可能地減少工作量。自適應(yīng)策略采用了h type方式;對于自適應(yīng)過程中產(chǎn)生的懸空點,通過向相關(guān)網(wǎng)格單元插入對應(yīng)節(jié)點,來消除其影響,使網(wǎng)格單元之間完全相容,自適應(yīng)生成的網(wǎng)格可直接用于計算;最后,由一些簡單算例驗證了程序的正確性。第五章進行了65°后掠三角翼旋渦流動的數(shù)值模擬,對自適應(yīng)耗散混合格式、網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)和IDDES方法開展了綜合應(yīng)用。計算發(fā)現(xiàn):采用原始Roe格式的IDDES計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計算則捕捉到更為精細的流場結(jié)構(gòu)。第六章開展了復(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F22戰(zhàn)斗機模型。首先簡要介紹了風(fēng)洞試驗情況。隨后進行了靜態(tài)大迎角分離流的計算。從預(yù)測的氣動力系數(shù)與試驗數(shù)據(jù)的對比來看,IDDES模型相對于RANS模型仍然具有明顯的優(yōu)勢。由流動結(jié)構(gòu)的詳細比較表明,IDDES模擬流場具有更強的三維非定常特性。最后,初步數(shù)值模擬了類F22戰(zhàn)斗機模型大振幅俯仰運動,考慮到計算網(wǎng)格的尺度較粗以及動態(tài)試驗的誤差修正等不確定因素,IDDES計算結(jié)果與試驗測量數(shù)據(jù)之間的相符程度還是不錯的。第七章結(jié)束語,總結(jié)了本文的工作,指出了其中的不足,并對今后的研究方向進行了展望。
【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】：中國空氣動力研究與發(fā)展中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：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相關(guān)機理研究的進展13-14
• §1.3 大迎角風(fēng)洞試驗技術(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)的研究進展16-20
• §1.4.1 網(wǎng)格生成技術(shù)研究進展16-18
• §1.4.2 湍流數(shù)值模擬方法研究進展18-19
• §1.4.3 數(shù)值離散方法發(fā)展現(xiàn)狀19-20
• §1.5 本文研究內(nèi)容20-23
• 第二章 數(shù)值計算方法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 遠場邊界條件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)及并行計算38-39
• §2.7 小結(jié)39-40
• 第三章 數(shù)值計算方法驗證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46-52
• §3.4 超聲速圓柱底部流動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)與并行計算的耦合75
• §4.7 自適應(yīng)計算基本執(zhí)行流程75-77
• §4.8 網(wǎng)格自適應(yīng)算例驗證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跨聲速機翼79-81
• §4.9 小結(jié)81-82
• 第五章 三角翼大迎角氣動特性DES類模擬82-93
• §5.1 65°后掠三角翼旋渦流動模擬82-86
• §5.2 65°后掠三角翼自適應(yīng)計算86-92
• §5.3 小結(jié)92-93
• 第六章 復(fù)雜飛行器大迎角氣動特性DES類模擬93-105
• §6.1 風(fēng)洞試驗簡介93-94
• §6.2 靜態(tài)大迎角DES類模擬94-101
• §6.3 大迎角俯仰運動DES類模擬101-104
• §6.4 小結(jié)104-105
• 第七章 結(jié)束語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
• 個人簡介110-111
• 參考文獻111-121

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