动力增升喷流效应与流场结构精细化数值模拟研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：动力增升喷流效应与流场结构精细化数值模拟研究作者：龚志斌学科专业：流体力学指导教师：李杰2017年7月Title:Numericalinvestigationofpoweredhigh-lifteffectsandflowstructurerefinedsimulationforpowered-liftsystemByGongZhibinUndertheSupervisionofProfessorLiJieADissertationSubmittedtoNo

2、rthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofFluidDynamicsXi’anP.R.ChinaJuly2017摘要摘要具有短距起降性能的大型运输机，如美国的C-17飞机，既有战略运输机的航程与载运量，也有战术运输机的机动和灵活，能够在狭小空域和简易跑道上起降，备受各国空军青睐；而短距起降民用飞机在解决机场容量不足、提高运营效率等方面也很有应用前景。利用发动机动力

3、喷流与增升装置之间的有利干扰，即动力增升效应，能够很好地满足短距起降运输机低速气动特性尤其是升力特性要求。本文瞄准我国短距起降先进运输机未来发展需求，针对外吹式襟翼动力增升技术，建立动力喷流效应高精度数值模拟方法，系统研究短舱安装位置、动力喷流方位、襟翼偏角以及缝道参数等对动力增升效能的影响规律，深刻认识动力增升条件下的复杂湍流流场细节特征，揭示外吹式襟翼动力增升流动机理，为工程应用提供方法支撑和技术储备。论文主要研究工作包含以下几个方面：1.基于点对接多块结构化网格，建立了RANS流场数值模拟基本方

4、法。选取L1T2三段翼型、HiLiftPW-1增升构型以及DLR-F6翼/身组合体与翼/身/架/舱构型，检验了结构网格生成策略的合理性，考核了RANS基本方法对于增升构型以及带通气短舱复杂构型模拟的准确性与可靠性。2.针对发动机动力喷流效应，引入风扇入口和喷流出口，建立了发动机进排气模拟方法，结合流场数值模拟基本方法，形成了动力喷流效应RANS模拟方法。基于单独轴对称涡扇发动机和自由发展喷流算例，完成了动力喷流效应RANS数值模拟方法的考核验证，为动力增升喷流效应研究奠定了基础。3.将涡扇发动机和机翼

5、增升构型进行组合，构造了外吹式襟翼动力增升原理模型，生成了适合模拟动力增升效应的结构化计算网格。基于动力喷流效应RANS数值模拟方法，揭示了原理模型动力增升效应，揭示了发动机短舱位置和动力喷流方位对动力增升效能的影响规律，揭示了襟翼偏角和缝道参数对动力增升效能的影响规律。此外，获得了较宽襟翼缝道情况下主翼后缘Gurney襟翼在消除翼面分离流动、提高增升效能和改善力矩配平特性的作用规律以及扰流板下偏在消除翼面分离流动、提高增升效能和改善升阻比特性的作用规律。4.参照C-17短距起降大型运输机，构造了动力

6、增升全机几何分析构型，生成了全机结构化计算网格。基于动力喷流效应RANS模拟方法，揭示了全机动力增升效应，揭示了发动机短舱位置和动力喷流方位对全机动力增升效能的影响规律，揭示了襟翼缝道宽度以及扰流板下偏对全机动力增升效能的影响规律。结果表明，全机构型与原理模型动力增升效应基本类似，发动机短舱位置和动力喷流方位对动力增升效能的影响规律也基本一致。适当地增加襟翼缝道宽度，全机动力增升效能会有明显提高，配合扰流板下偏后，全机动力增升效能还会进一步增加。I西北工业大学博士论文5.鉴于RANS方法喷流湍流模拟能

7、力不足而LES方法近壁面及可压缩亚格子应力模式的发展还不够完善，本文在k−ωSST湍流模型上建立了IDDES方法，结合有限体积五阶WENO插值格式，建立了动力喷流效应高精度RANS/LES混合模拟方法。基于自由发展喷流和ARN2喷管算例，研究了网格密度和空间离散格式精度对喷流湍流流场计算结果的影响，完成了动力喷流效应高精度数值模拟方法的考核验证。基于动力喷流效应精细化模拟方法，获得了涡扇发动机喷流相互掺混的流场细节特征、三维湍流结构及湍流脉动特征。此外，完成了多段翼复杂粘性流场的混合方法模拟验证，为动

8、力增升喷流效应精细化模拟奠定了基础。6.对原理模型进行适当调整，形成四个典型分析构型：常规构型、动力增升基本构型、动力增升大偏角构型和扰流板联动下偏构型，采用动力喷流效应高精度RANS/LES混合方法，针对不同构型湍流流场进行了精细化模拟，首次获得了动力增升条件下发动机喷流相互干扰与掺混细节特征以及动力喷流与襟翼缝道流动的相互干扰细节特征，抓住了襟翼下表面喷流横向流动及其扩散范围与三维湍流结构特征，加深了动力喷流对襟翼上表面流动分离特征改变的理解，从流场