外挂物干扰流场特性数值仿真研究

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第42卷第1期2012年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniquev01．42No．1Jan．2012外挂物干扰流场特性数值仿真研究王立强，董国国(中国空空导弹研究院，河南洛阳471009)摘要：飞行器研制中对于带外挂物的复杂外形气动特性分析研究一直是个难点，对外挂物与挂架不同缝隙的复杂机翼一挂架一外挂物组合外形采用结构重叠网格数值方法，快捷高质地完成了网椿生成，通过求解带有k．e湍流模型的Navier—Stokes方程组。得到多个计算工况下的绕流外流场．分析了外挂物在不同工巩下的气动特·醢．结果表明，CFD数值方法可方便快捷地对复杂干扰流场进行教值计算，可为飞行嚣相关设计提供技术支持。关键词：外挂物：挂架：结构重叠网格；气动特性中图分类号：V21l文献标识码：A文章编号：1671．654X(2012)01-0057．04NumericalSimulationandResearchonAerodynamicCharacteristicsofInteractingFlowFieldpastExternalStoreWANGLi-qiang，DONGGuo-guo(ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyan9471009，China)Abstract：Itisalwaysabarriertoanalyzeaerodynamiccharacteristicofeomplicatedshapewithstoresinaircraftdeveloping．Inthispaper，thecomplicatedgeometryshapeofwing—pylon—storeofdifferentgapofstoreandpylon，overlappingstructured鲥disusedwhichCallworkwellinsuchcase．ThomnghsolvingNavier．Stokesequationsteamwithk．eturbulentmodel．theouterflowfieldaroundthestorei8maehed．Theaerodynamiccharacteristicisanalyzedinsomeconditions，andtheresultsdisplaythatwiththenn．meficMmethod，complicatedinteractingflowfieldCallbenumefieallysimulatedexpedientlyandefficient．1y，whichcangivesometechnicalcontributiontodeignofaircraft．Keywords：externalstore；pylon；overlappingstructuredgrids；aerodynamiccharacteristic引言外挂物处于载机的机翼／机身下面，非均匀干扰流场中的气动特性相比其在自由流中的气要复杂得多。现代飞机的外挂物种类和外挂方案非常复杂和多样化，外挂物的外形、位置及工况条件等都直接影响到外挂物／飞机之间的相互干扰流场，对该类流场的分析研究一直是气动设计的难点，也一直是影响挂架、发射架及吊挂强度设计质量的关键所在，因此有必要予以重视。复杂干扰流场的的研究方法目前主要有风洞试验、飞行试验和数值计算。风洞试验是整个研究的基础，它不仅提供了关于载机、外挂物的气动数据，而且对基本飞机流场、干扰机理等提供了物理观测数据和分析的基础。但是试验技术复杂、成本昂贵、耗时较长，试验工况范围也受到一定的限制；飞行试验是整个外挂物设计最终的检验，具有模拟真实、直观性强等优点，但试验成本高、风险大；数值计算由于周期短、成本低，随着数值计算方法与计算机硬件技术的快速发展得到了广泛的应用。本文采用基于结构重叠网格的CFD数值方法对复杂干扰流场中外挂物的气动特性开展分析研究。1数值方法1．1几何外形本文采用的几何体分为三部分：机翼、挂架与外挂物，其中机翼的后掠角45。，翼型NACA64010，组合体图1机—y挂架／外挂钩组台体几何外形圈收稿日期：2011—09—16修订日期：2011一12一”基金项目：航空科学基金项目资助(20100152(m2)作者简介：王立强(1978一)，男．河北无极人，工程师，主要研究方向为飞行器气动布局设计。 ·58·航空计算技术第42卷第1期几何外形见图l。1．2结构重叠网格结构重叠网格⋯的基本思想是在生成复杂外形网格时，通常先将计算区域拆分为一个母体和几个子体，并分别对每个部件生成网格，然后拼装成重卺网格。这种网格方法不但易于进行复杂外形网格的生成，而且容易保证网格的质量。结构重叠网格核心的思想是重叠插值边界的确立，即首先需要对每个部件网格节点的贡献单元链行搜索，并标记存储，其次利用每个网格节点与贡献单元韵关系对网格节点分类，进而对网格单元进行分类，从而根据网格单元的性质形成重叠插值边界，完成整个流场网格的构建，下面介绍具体算法。1．2．1搜索“贡献单元”本文采用Neighbor．to．Neighbor结合ADT(Alter-nateDigitalTree)方法对网格节点的“贡献单元”进行搜索，在网格中搜索点P的“贡献单元”，算法如下：1)建立物面边界的二叉树数据结构；2)初始化所搜索的“贡献单元”；3)连接当前单元中心与节点P，判断该连接线段与单元边(三维为面)的相交情况，若无相交边，则当前单元为节点P的“贡献单元”，并结束搜索，否则执行下一步；4)判断相交边的相邻单元的编号，若大于0则为新的出发单元，执行2)，若等于一1(本程序编写的符号规定)则该边为远场边，搜索结束，若等于一2，则该边为物面边，执行下一步；5)利用ADT算法判断3)中得到的线段与物面边相交情况，若相交边个数为奇数，则节点P位于物面内，若为偶数，则以距离节点P最近的相交边的相邻单元作为新的出发单元。本搜索方法搜索效率高、鲁棒性强，即使是三维空间，其搜索路径仍然是一维的。1．2．2网格“挖洞”对于落在相邻子域网格的固体边界内的子域网格点，由于该点在计算域之外，必须从解的过程中去除，俗称“挖洞”，另外，由于物面边界对流场流动分布影响最大，因此根据“壁距离”【21的原则将物面附近的相关网格单元挖掉。我们用lblank表示网格节点类别，假设网格A中的节点P位于网格B的四边形a，b，e，d中，亦即该四边形为节点P的“贡献单元”，设节点P到网格A物面的最小距离为5．，其“贡献单元”到网格B物面的最小距离由其四个顶点到该物面最小距离的面积加权平均得到，记为|s：，如果S，