基于DES方法的三角翼激波-涡干扰流场数值模拟

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1、第40卷第6期2010年11月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．6NOV．2010基于DES方法的三角翼激波一涡干扰流场数值模拟焦瑾，杨永，李喜乐(西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：采用基于Spalart．Allmaras湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法。数值求解Navier．Stokes方程，模拟绕尖前缘三角翼的跨音速流动，并对三角翼上翼面的复杂激波一旋涡干扰流场进行了分析。与NASA兰利研究中心的NTF风洞实验结果对比分析表明，DES方法能很好地模拟跨音速三角

2、翼上的旋涡流动。随着攻角由中度攻角增加到大攻角，支架附近的激波越来越强，对主分离涡的干扰作用越来越大。直至出现激波干扰导致的涡破裂。激渡的形状、位置及涡破裂位置均与实验结果吻合良好。关键词：三角翼；脱体涡模拟；激波；涡破裂中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1671．654X(20lo)06．0072．06引言现代战斗机常采用三角翼、双三角翼等布局，这种布局形式在不同的迎角下飞行时机翼前缘都会产生分离涡，形成非线性涡升力，提高飞机的失速迎角，获得较高的机动性【l。2J。但随着迎角的增大，涡将全面破碎成无组织的流动，使得非线性涡升力突然损失，导致飞机发生失

3、速或过失速，对飞机的气动力特性产生重要的影响。因此，研究三角翼前缘分离涡流场和气动力特性有着重要的意义。目前，对于绕细长尖前缘三角翼上的旋涡流动，国内外已经进行了大量的研究。但绝大部分是针对亚音速情况下旋涡流动特性和涡破裂现象的研究，而对于跨音速下绕三角翼的旋涡流动研究则很少。在跨音速区域，从中度攻角到大攻角时，机翼上的激波和前缘涡系统之间有很复杂的相互干扰作用。基于这个原因，NATORTOAVT—113工作团队提出将跨音速旋涡流动和涡破裂作为第二届“国际旋涡流动实验”(VFE一2)的一部分进行研究，现在这一工作仍在进行中。Elsenaar与Hoeijmakers旧

4、1在实验的基础上推测，跨音速状态下三角翼的上表面主要存在两个激波系统：第一个在初始涡底部，压力峰值外侧，翼展方向某一位置；第二个在机翼尾部，靠近后缘垂直于对称面的位置。如图1所示。本文采用脱体涡模拟方法对尖前缘三角翼在跨音速情况下中度攻角和大攻角的流场结构进行计算和分析，研究三角翼上的这两个激波系统以及激波对涡结构的影响。给出了大攻角下三角翼上表面的压力分布以及激波位置示意图，并对激波对于涡破裂的影响进行了分析。图l跨音速三角翼上激波系统的位置和形状示意图收稿日期：2010—04．14修订日期：2010．09．25作者简介：焦瑾(1988一)。女，陕西西安人，硕士研

5、究生，研究方向为理论与计算流体力学。2010年11月焦瑾等：基于DES方法的三角翼激波一涡干扰流场数值·73·1模型及网格本文的几何模型为VFE一2实验中Chu和Luck—ring在NASA的NTF风洞中所使用实验模型，模型为有四个可替换前缘的650后掠三角翼，在本文中，仅进行有关尖前缘外形的相关研究。为了方便计算结果与实验值对比，在计算中所用到的几何模型也包含有支架。模型几何外形如图2所示，根弦长为c，=图3网格示意图0．980m，翼展b=0．914m，前缘后掠角西=650，机翼面积S=0．448m2，展弦比AR=1．86。计算中所用网格为C—O型网格。总网格量为

6、1360万，沿来流方向为327个网格点，翼展方向为165个网格点，垂直于机翼表面方向为129个点。网格被划分为20块。图3给出了网格示意图。图2尖前缘三角翼模型2控制方程及离散采用Navier．Stokes方程作为流动控制方程，其积分形式为知，QaV+缈刊s=o(1)其中，y为控制体体积，Q为守恒变量矢量，5为控制体表面，为通过表面S的净通量矢量，包含粘性项和无粘项，n为表面Js的单位外法向矢量。流动控制方程空间离散采用有限体积方法。无粘通量项的离散采用迎风型通量差分分裂格式(Flux．DifferenceSplitting)；对于粘性项，采用二阶中心格式进行离散。

7、时间离散采用双时间步长法。由于三角翼上翼面流动为脱体涡流动，因此，本文采用基于Spalart—Allmaras湍流模型的DES方法进行数值模拟。DES方法的基本思想是在附面层内采用雷诺平均湍流模型进行数值模拟；在远离物面的分离区内，如果网格尺度满足要求，则采用亚格子模型进行模拟。这样既减小了附面层内的计算量，又较好地模拟了脱体分离涡。3计算结果及分析本文主要针对来流马赫数为0．85，雷诺数为6×106，不同攻角下绕三角翼的复杂流场进行了数值模：!!：竺至兰!苎童兰竺童兰!竺拟。对不M拉向站位的物ml压力系觳分如与NASA的摸验鲭袋进行r对比舟析；分析r一舶舆t爨