涡流发生器绕流模拟的数值方法研究.doc

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1、涡流发生器绕流模拟的数值方法研究刘刚1，刘伟2，牟斌2，肖中云2（1．西北工业大学航空学院，陕西西安710072）（2．中国空气动力研究与发展中心计算所，四川绵阳621000）摘要：本文利用RANS方程和SA湍流模型解算器，采用多重网格法和预处理技术，对叶片式涡流发生器进行了数值模拟研究，初步探讨了涡流发生器的安装方式、剖面形状、几何尺度等因素在机翼分离流动控制中的影响规律和设计原则，并初步研究了安装涡流发生器对超临界机翼气动性能的影响。关键词：涡流发生器；分离流控制；预处理；多重网格0引言涡流发生器（VortexGenerators,简称VG）是

2、在二十世纪中期首先由Taylor[1]提出的。一般说来,常规的平板式涡流发生器都是垂直安放在机翼上表面边界层内，并与当地来流保持一定的侧向夹角。涡流发生器的作用：一方面是通过小平板产生的尾涡搅动分离区内的气流，使边界层上部的高能气流得以与近壁的低能气流混合而增加近壁流体的动量和能量，从而延缓分离；另一方面是利用涡流发生器产生的尾涡阻隔向外翼的流动，防止低能气流在外翼上堆积，从而进一步增加升力和减少阻力。在一定场合安装涡流发生器也可以用于改善跨声速激波/边界层干扰特性和抖振特性[2]。半个多世纪来，涡流发生器在飞机、扩压器、收缩后体、增升装置和涡轮叶

3、片，甚至先进战斗机上均获得了广泛应用。涡流发生器作为一种被动式的流动控制部件，是针对某一个或几个流动状态而设计安装的，其优点在于简单易行，成本低廉，而不足之处就是气动单点设计，不能线性控制，给巡航等非设计状态带来了不必要的阻力。因此针对被动式涡流发生器的设计安装必须兼顾其在非设计状态下的工作效能。尽管国外在涡流发生器的研制上已经取得了很大进展，并且得到了实际应用，但很多问题至今仍然不够清楚，同时也缺乏一些强有力的数值分析和设计软件[2]-[7]。由于涡流发生器的尺寸非常微小，并且安装在黏性起主要作用的边界层内，因此，要准确模拟边界层内的黏性效应和涡

4、流发生器产生尾涡流等问题，对CFD数值模拟带来了相当的困难。目前，国内正在开展民机预研，采用涡流发生器是改进和提高民机气动特性的一项重要措施，所以进行涡流发生器的数值模拟工作是很有意义和必要的。1数值计算方法本文采用在笛卡儿坐标系下，不计体力和无热源的三维非定常RANS积分方程组作为数值模拟的主控方程，见公式（1）。(1)采用有限体积离散方式将主控方程离散。对无黏通量项的离散，在亚音速情况下，采用的是Jameson中心差分格式；在跨音速情况下，采用的是VanLeer格式。黏性通量项采用中心差分格式离散。对时间的积分采用的是隐式LU-SGS格式。采用

5、SA一方程湍流模式[8]计算湍流黏性项。本文的计算中，一方面，要涉及到低马赫数（M0.174）状态的计算；同时，在某些情况下计算网格的规模又非常大（约400-600万网格单元），因此特别在计算中引入了已经获得验证的预处理技术[9]和多重网格技术加速迭代收敛[10]。2计算结果及其分析2.1在平直翼上安装涡流发生器计算马赫数为0.174，攻角从到，雷诺数为。由于来流速度较低，采用了预处理技术加速迭代收敛。涡流发生器的安装基体为一超临界平直翼，并根据四种涡流发生器安装起点距离后缘直线距离的不同分别记为A-116.5，A-125，B-145，B-192四

6、种。在翼剖面Z向两端加周期性边界条件。网格参见图1。考虑到计算中所采用的涡流发生器系列法向高度都只有，约2.5～5mm的量级，其上边缘刚好处在边界层外边界附近，而边界层附近的网格是非常密的，因此在数值模拟涡流发生器的每一个阶段都必须要考虑图1A，B类型涡流发生器表面网格涡流发生器附近细密网格对计算结果可能带来的影响。这一点对整个计算流程的可行性是至关重要的。对此，针对每一个状态的计算都分两步进行：状态Ⅰ：计算涡流发生器安装在窄翼上的真实情况，此时，图1中的涡流发生器表面均设定为正常的壁面边界（solidsurface）条件；状态II：计算涡流发生器

7、附近细密网格对计算结果的影响，此时将图1中的涡流发生器实体内部用网格填满，那么原来的solidsurface自动变成内部网格对接边界条件。这样，通过状态Ⅰ和状态II的结果对比，就可以在不改变平直翼上表面网格分布和构型的情况下，得到同一安装条件下加与不加涡流发生器时气动力特性的变化，从而完全排除了由于涡流发生器附近细密网格对计算结果的影响。表1计算所得A-125-Ⅰ与A-125-Ⅱ差量（A-125-ⅡfromCFD）AoA（）ClCdK100.0087-0.00394.5512-0.0029-0.00010.0113-0.00220-0.04表2安装

8、A-125涡流发生器后实验得到的差量AoA（）ClCdK10-0.0038-0.00474.1712-0.0004-0.0