侧向喷流数值模拟精度及实验验证研究

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1、万方数据第28卷第4期2010年8月空气动力学学报ACTAAERODYNAMICASINICAV01．28，No．4Aug．．2010文章编号：0258-1825(2010}04—0421—05侧向喷流数值模拟精度及实验验证研究陈坚强，江定武，张毅锋(中国空气动力研究与发展中心，I匹t)lf绵阳621000)摘要：对喷流干扰研究中的数值模拟精度进行了讨论。结合相关实验重点分析了不同计算格式、限制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构、气动力特性和压力分布特性的影响。在上述研究的基础上。进一步对比分析了计算与实验所

2、得到的有喷与无喷之差及干扰因子之值。研究表明，目前CFD与实验之差主要表现在轴向力和俯仰力矩，法向力、有喷与无喷之差及干扰因子之值计算与实验两者基本一致．出现差别的原因主要是对大细长比弹体后体压力分布模拟存在一定差异。关键词：侧向喷流干扰；数值模拟；CFD与实验对比；力／力矩放大因子。中图分类号：V211．3文献标识码：AO引言侧向喷流控制就是通过喷流反作用力和喷流与来流相互作用产生的干扰力，对飞行器进行姿态控制或提供直接机动力。侧向喷流控制技术具有众多的优点，如响应时间短，能在飞行动压很小的低速和高空(此时气动控制面效率很低或不再

3、起作用)的情况下起到相当好的控制作用，因而近年来深受国内外学者的广泛关注【1du。对于喷流干扰这一复杂现象，由于实验研究具有一定的难度，尤其是多喷口情况，因此采用CFD进行流动机理及干扰效应研究已成为重要的研究途径。本文作者在这方面开展了大量研究，发展并建立了相关的计算方法及软件，给出了该类流动的流场细节，取得了一批结果[1“引，同时被用于试验研究的预测。但是，由于喷流干扰的复杂性，对于计算方法、流动模型及网格拓扑等因素对计算结果精度的影响研究开展仍不够充分，对于CFD与实验结果的相互对比分析工作开展不够。本文主要针对侧向喷流干扰数

4、值模拟中的精度问题进行研究，重点开展CFD与相应实验结果的对比分析，分析存在差别的原因，为进一步开展相关研究提供技术参考。1研究途径数值模拟研究中采用有限体积方法求解一般坐标系下的、完全气体三维无量纲化的NS方程。对于对流项离散，采用具有高分辨率的NND格式。此类格式由网格模板、插值限制器和通量分裂方法三个基本要素组成，其具体形式和构造原理内容十分丰富。其中插值限制器Limiter是为了防止在激波附近的解产生过冲或过膨胀现象而采用的限制器。数值通量采用矢通量分裂法或者通量差分方法得到，本文研究中主要采用Steger-Warming分

5、裂和VanLeer分裂两种矢通量分裂形式。对于粘性项，采用具有二阶精度的中心格式离散。为提高计算效率，采用了LU-SGS隐式算法。为了正确模拟喷流干扰复杂流动，必须考虑湍流效应。本文采用标准的h模型和Spalart和AllmarasCl21发展的、考虑近壁影响的一方程涡粘性SA模型及由MenterZ”1提出的二方程SST(ShearStressTransport)湍流模型。此外，采用分块对接网格技术，生成高质量的贴体计算网格，以精确模拟喷口截面。相关更详细的描述可参见文献[11]。相关测力／测压试验在中国空气动力研究与发展中心超高速

6、研究所的争1m高超声速风洞中进行。2结果分析为了确定所采用的计算格式及湍流模型，在对典型带单喷口的流动进行了对比分析的基础上(具体分析见文献[14])，本文针对多喷1：3流动(三个喷口lace)*收藕日期：2009—05—05I修订日期：2009·08—21基金项目：国家自然科学基金项目(90816011)作者简介：陈坚强(1966-)。男，浙江上虞，博士，研究员，主要从事计算流体力学方法及复杂流动数值模拟等方面的研究．E-mail；]q-chen@263．rleL万方数据422空气动力学学报第28卷开展了侧向喷流气动干扰效应数值模

7、拟理论模型研究，完成了侧向喷流气动干扰效应数值方法、湍流模型及计算格式研究。图l～图2分别给出了层流与湍流计算所得的压力云图以及对称面和物面的极限流线，计算中采用原始变量NND格式，minmod限制器，Steger-Warming矢通量分裂方法，湍流模型采用两方程的k-wSST模型以及一方程SA模型，从中可以清晰地看出层流与湍流计算结果的差别。层流计算的分离区远远大于湍流计算的分离区，分离结构也更复杂，环绕效应比湍流情形时也要大的多，体现在法向力上就是层流计算的法向力比湍流计算的要高(2％～4％)，两种湍流模型计算结果差别不大。图l

8、湍流计算压力云图与极限流线蛔SSTFig．1Pressurecontoursandlimitstreamlinesforturbulencecomputationk-eJSsT图2层流计算压力云图与极限流线Fig．2Pressurec