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《飞机增升装置气动力特性计算方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第19卷第2期空气动力学学报Vol.19,No.22001年6月ACTAAERODYNAMICASINICAJun.,2001文章编号:0258-1825(2001)02-0148-08飞机增升装置气动力特性计算方法研究朱国林,王开春,金刚,李树民(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000)摘要:本文给出了飞机增升装置气动力特性的数值计算方法和计算结果。为了计算增升装置的缝隙效应和剪刀口效应,求解了粘性三维Navier-Stokes方程。为了正确模拟大舵偏和阻力板后的大面积分离,采用了反映涡流特性的新类型的两方程湍流模
2、型。关键词:飞机;增升装置;气动特性;计算方法中图分类号:V211.3文献标识码:A0引言众所周知,增升装置的构形和气动力特性,关系到一架飞机是否具有良好的起飞和着陆性[1]能。因此一直是飞机设计者十分重视的问题。增升装置的气动布局又是飞机设计的难题,困难主要来自两个方面,一方面是增升系统的[2]设计几乎完全是由粘性绕流所决定,所涉粘性问题都是流体力学中具有挑战性的课题。包括层流分离、湍流接触线和再层流化、湍流边界层的发展、尾流发展、渗混边界层和粘性尾流相互作用等;另一方面,增升装置的尺度效应也是目前面临的难题之一,由于受风洞
3、试验段尺寸的限制,由于缝隙和剪刀口的影响,使流动变得异常复杂。对这样复杂的粘流现象,目前还无法做到清楚的了解和完全的模拟,如何把试验结果应用于飞行实际情况是增升装置设计者面临的一个尖锐问题。综上所述,发展一种增升装置的计算方法是设计人员迫切需要的设计工具。[3,4]本文在原有工作的基础上,着重研究了湍流模型的改进,使其适用范围扩大,为了达到这一目标,分析了传统涡粘性模型所存在的缺陷及其原因,认为流场的涡量变化与湍流运动规律之间的联系值得认真研究,在湍流模型中应主要考虑突出涡量的作用机制。提出了一种新的湍流模型,通过数值试验和工
4、程计算展示了其良好的效果。本文采用新的两方程模型所建立起来的三维粘性流求解软件系统,计算了飞机的增升装置的气动力,也计算了阻力板的绕流情况。1控制方程和数值方法本文采用的控制方程为雷诺平均的三维Navier-Stokes方程,其通式可表示为收稿日期:2000-06-15;修订日期:2000-08-15.基金项目:国防科学技术预先研究基金资助项目。作者简介:朱国林,吉林省人,中国空气动力研究与发展中心研究员,博士生导师。第2期朱国林等:飞机增升装置气动力特性计算方法研究1495Q7+div(Qv7)-#7grad7)=q7(1)
5、5t对于连续方程7=1,#7=0,q7=0(2)对于x方向的动量方程5p5v7=u,#7=Leff,q7=-+div(Lef)(3)5x5xy,z方向具有类似的表达式。除以上连续方程和动量方程之外,还需求解附加的两个反映湍流运动尺度的方程,即湍动[5]能方程和湍动能耗散率方程。常用的标准J-E模型具有如下形式湍动能方程Lef7=J,#7=,q7=pJ-QE(4)RJ湍流耗散率方程LeffE7=E,#7=,q7=(c1pJ-c2QE)(5)REJ其中湍动能生成项为5vi5vj5viPk=vt(+)(6)5xj5xi5xj有效粘性
6、系数为2Leff=Ll+Lt=Ll+QCLJ/E(7)Ll和Lt分别为层流和湍流粘性系数。各常数为(C1,C2,CL,RJ,RE)=(1.44,1.92,0.09,1.0,1.22)[3]采用有限体积法和三维交错网格技术对具有原始变量的基本方程进行离散,三阶迎风格式计算对流项,二阶中心格式处理扩散项,时间项的离散为二阶精度。三阶迎风格式可表示如下nnFpn+1n+1Fpnnn(7p-7W)+[2(7p-27W+7WW)+$N6$Nnnnn57n+1(7p-27E+7EE)],Fp>0[F]p=nn(8)5NFpn+1n+1Fp
7、nnn(7E-7P)+[2(7p-27E+7EE)+$N6$Nnnnn(7p-27W+7WW)],Fp<0为了加快收敛,将一阶迎风格式处理对流项的收敛结果作为三阶迎风格式计算的初场。为使稀疏带状矩阵主对角元占优,对流项和扩散项采取了局部隐式的方法,并采用低松弛求解,以保证方程求解的稳定性。压力的计算采用SIMPLE方法。在三维流场计算中,采用ADI或五对角面推进算法的计算时间过长,效率很低,因此采用了七对角强隐式算法以提高计算效率。七对角技术的采用使计算时间大为缩短,大约只是原来五对角面推进算法的四分之一。2湍流模型通过对湍流
8、运动的研究、观察,人们发现湍流运动的一个突出特征是具有强烈的耗散性,150空气动力学学报第19卷湍流流场由各种不同尺度、看似杂乱无章的涡旋构成,大尺度的涡逐渐分裂成小尺度的涡,最后转化为分子运动热能。因此类比粘性流体力学中的广义牛顿定律,通过涡粘性vt将/雷诺[5]应力0与流
