舱盖气动参数的数值计算.pdf

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1、第卷第期空气动力学学报，年月，!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：（）舱盖气动参数的数值计算韩海鹰，龚洁，杨春信，杨新明，徐晓东（北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系，北京；空军第一研究所，北京）摘要：本文在对舱盖形状简化的基础上，应用对不同迎角和不同马赫数情况下舱盖周围区域的气体流动进行了数值模拟，分析了迎角以及来流速度对舱盖气动系数的影响。关键词：舱盖；气动系数；湍流；数值模拟中图分类号：文献标识码：引言采用弹射座椅救生装置的军用作战飞机有多种清除弹射通道的

2、方式，抛放座舱盖是其中应用最为广泛的方式之一。以前，俄（苏）米格系列和苏系列飞机一直采用抛盖方式清除弹射通道，而美国则主要采用穿盖技术。但从对飞行事故的分析中发现，穿盖易使飞行员的脊柱受伤，造成损伤，所以近年来美国空军和海军开始重视抛盖技术研究和应用，例如、和等战机均采用抛盖方式，所以对舱盖抛放轨迹进行研究对于飞行员的救生和飞行安全均具有很重要的意义。美国海军年在海军武器中心的弹射系统做实物滑撬实验，对弹射座椅及座舱盖在空中的运动轨迹进行了测试，然而昂贵的费用限制了测试的状态数目，此外实验也不能提供给系统设计者所关注的整套系统气动特性参数，

3、于是包括美国海军在内的各国研究者重视应用数值计算进行弹射过程的［，］模拟。目前采用模拟舱盖抛放过程的研究工作主要是在美国进行的，国内该领域内尚未有公开报道。以往的研究表明舱盖外形对舱盖气动力分布有很大影响，不同型号飞机［，，］弹射过程中舱盖气动力分布也不尽相同。因此采用计算抛放过程舱盖的气动力特性分布，对于我国飞机弹射系统的设计以及安全救生具有很重要的意义。国外的研究工作以美国研究中心的小组最具典型意义。和［］等对一个半圆柱薄板和一个真实的座舱盖在空中的运动进行了研究。他们通过求解方程对不同飞行姿态舱盖的气动参数进行定常与非定常计算，分析了

4、物体形状、来流马赫数、迎角、物体转动速率对气动参数的影响。此外，他们还综合定常计算与非定常计算结果，给出了气动参数与上述各因素之间的关系，并提出了一种在定常气动系数基础上进行非定常修正得到真实状态舱盖的气动力分布的方法。的研究为不"收稿日期：；修订日期：基金项目：航空科学基金资助项目作者简介：韩海鹰（），男，北京航空航天大学人机与环境工程专业博士研究生空气动力学学报第卷［，］［］同状态舱盖抛放轨迹的求解提供了一种简便快速的方法。和以及等利用嵌套网格技术模拟了整个弹射过程，得到了舱盖运动过程中的气动系数变化，结合运动方程给出了舱盖以及座椅的运

5、动轨迹。对舱盖的运动过程进行非定常模拟可以得到与实验符合很好的计算结果，但昂贵的计算费用限制了其应用。从对大量飞行事故的统计发现，大量弹射救生发生在飞机低速［］飞行时，而非定常效应随着飞行速度的降低也是降低的，这意味着定常计算所导致的误差将大大降低。本文在对舱盖形状进行简化的基础上，对不同飞行速度（低速）情况下舱盖抛放过程进行定常计算，研究抛放过程中舱盖气动参数随飞行速度和舱盖迎角的变化规律。!数学模型图（）为本文所计算的某型飞机座舱盖截面和剖面图。从图中可以看出舱盖截面形状变化沿轴线比较缓慢，尺寸差别不大。为了简化计算，这里把舱盖截面近似

6、为等尺寸的半椭圆形状（长轴、短轴长度），利用阶梯网格描述两个端面。本文所计算的舱盖见图（）。图（）某型飞机座舱盖截面和剖面图尺寸图（）本文计算舱盖模型（）（）!"!控制方程通过耦合椭圆坐标下的定常连续性方程、方程求解舱盖周围气体流动。［、、］湍流模型采用!双方程，其中!方程已经被证明可以有效预测舱盖气动特性。由于椭圆坐标系属于正交曲线坐标系，这里采用曲线正交坐标下的控制方程组，控制方程［，］的张量形式为!!![（"#）（"#）（"#）]!!!（）!!#!!#!!#[($#)($#)($#)]#!!!!!!第期韩海鹰等：舱盖气动参数的数值计算

7、其中代表物理量、、、、、、；为源项；、分别为曲线坐标及其对应的拉梅系数。!"#边界条件图（）为计算区域示意图，其中代表抛放过程舱盖迎角。在计算舱盖周围气流分布时，尽管实际区域延伸至无限远，但一般将计算边界取在距固体边界充分远的地方（这里计算外边界取离中心位置左右）。入口速度取来流速度，对应的湍流动能和湍流动能耗散分别为，，其中是定性尺寸，在这里取舱盖长度。由于舱盖是左右对称的，这里只计算其中的一半，对称面和流体出口采用等梯度边界［］条件。壁面为粘性无滑移条件，和用壁面函数处理。!"$计算网格和计算方法在计算中采用椭圆坐标（，，），其由平面内

8、一组正交的、同焦点的椭圆簇及双曲线［］柱组成（见图（））。常数的曲面代表同焦点的椭圆柱面，其方程为（）（）（）而常数的曲面则是双曲线柱面，其方程为（）（）（）其中!指椭圆焦距。图