地效飞行器波浪水面巡航的数值模拟.doc

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1、地效飞行器波浪水面巡航的数值模拟秦绪国，刘沛清，屈秋林北京航空航天大学航空科学与工程学院100083Yuzhou18@sohu.com010-82315463摘要：本文用Fluent软件求解不可压缩N-S方程，用数值模拟的方法模拟出规则余弦表面的重力波，并计算地效飞行器在波浪水面上方飞行的全流场。研究了计算域、时间步长和方程的离散格式对波浪模拟的影响。地效飞行器在规则水面波浪上方飞行，气动力呈周期性变化，文中给出了气动力在一个周期内的变化规律。关键词：地效飞行器，水面波浪，数值模拟1、引言地面效应是指当飞行器接近地面时由于地面的阻塞作用，将机翼下方来流的

2、动压转变为静压，引起飞行器升力的增加的现象。地效飞行器就是一种利用地面效应提供升力飞行的运载工具[1]。为了避免过多的越障飞行，地效飞行器通常在水面上飞行，这与传统的地面效应不完全相同。在自然界的常规水面上，通常都会有水波存在，地效飞行器飞过波浪水面时，会受到以下多种因素的影响：海面波浪形状引起地效飞行器气动力的非定常变化；海面上方空气由于海面影响引起的扰动速度的影响；水气交界面附近气流场的压力迫使波浪的表面形状发生改变，气流场和波浪水面的耦合作用，影响气流场的压力分布及地效飞行器的气动性能。因此在建立模型时，需要考虑到以上几个方面。已有的对于地面效应的

3、方法多为翼型或地效飞行器在平面地面或波浪地面巡航的气动力研究。Ye-hoonIm[3]用LU分解方法求解高分辨率的迎风格式研究了翼型在不同波高和波长的波浪地面飞行时的气动特性，发现波长越小，气动力变化越剧烈。盛其虎等[4]用面元法研究了信天翁在波浪上方飞行时的气动特性，发现信天翁不仅利用地面效应，还利用波浪上方的空气扰动以获得更高的飞行效率。澳大利亚的T.Barber等[5]用CFD软件研究了翼型在平静水面上方飞行时引起的水面变形，发现由翼型下方压力引起的水面变形很小。势流理论不能给出空间流场分布，实验价格昂贵，而且要满足的相似性准则较多，实验条件很难满

4、足，因此若要完整的考虑地效飞行器波浪水面飞行的复杂流场，数值模拟是一种经济迅速有效的方法。要模拟地效飞行器波浪水面飞行，首先考虑的问题就是波浪的模拟。海面波浪的控制因素是惯性力和重力，多年来很大一部分用势流理论来模拟的，近年来，才开始数值方面的模拟。然而要全面考虑空气压力引起的水面变形并真实模拟实际的深水波浪水面附近流场，必须求解NS方程。用求解NS方程的方法波浪模拟的难点在于自由表面的模拟和边界条件的处理上。刘加海[6]等用Fluent动网格技术模拟造波板的活塞运动产生波浪；刘应中[7]等采用在给定流场速度入口模拟规则波浪，开敞边界采用阻尼耗散区和So

5、mmerfeld条件相结合的处理方法模拟。本文利用Fluent软件求解非定常不可压缩流动N-S方程和Realizablek-ε湍流模型，数值模拟余弦波浪及地效飞行器波浪水面上方飞行时的气动特性，充分考虑了波浪水面引起的非定常地面效应，气流场和波浪水面的耦合作用，水面的变形，以及波浪上方空气的扰动等影响地效飞行器气动特性的因素。2、物理模型及计算方法2.1地效飞行器模型图1地效飞行器三维实体图地效飞行器模型如图1所示，巡航状态下，地效飞行器不发生滚转及侧滑，因此可以选用半模进行计算，这样既可以节省大量计算资源，又可以模拟地效飞行器的真实飞行状态。飞行迎角，

6、飞行高度h=1m（即地效飞行器机身最低点和水面波浪平衡位置之间的距离）。水面波浪波长50m，波高1m。飞行速度。流场的计算区域选取矩形计算区域。用FLUENT前处理软件Gambit软件划分网格，由于地效飞行器结构复杂，采用结构与非结构网格相结合的方法划分流场区域。网格数目为169万。2.2波浪模型：海洋波浪为重力波，根据海洋波浪的统计资料，海洋中的波浪大部分可归结为无限水深的小振幅波，考虑重力场作用下的不可压缩的水波，入射端和底部为速度入口边界条件，上侧与空气形成自由面，下游为自由出流。FLUENT中采用VOF方法模拟自由水面，采用几何重构方案模拟气液界

7、面。在网格下方区域水气交界处对网格进行了加密。假设涌浪的传播方向和地效飞行器的飞行方向相反，则在原来波浪传播速度上叠加飞行器的巡航速度，此时问题的周期变为，由欧拉方程和定解条件可得行波的自由面形状[2]为：波面形状是余弦曲线，整个波面形状不变。其中为波浪的波高，为波长。前缘和底面入口处的边界条件为：在物理时间时，如果，则流体相为水，流体质点速度：；其中为波浪的角频率，为波数。如果，则流体相为空气，并且根据多层流体运动方程[8]得到波浪上方空气的扰动速度为：使用Fluent软件对全部流场区域求解非定常不可压缩流动N-S方程，采用Realizablek-ε湍

8、流模型，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，对流项用二阶迎风格式，扩散项采用中心