地效飞行器近水面巡航气动特性数值模拟_陈晓明.pdf

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1、江苏航空１２ＪＩＡＮＧＳＵＡＶＩＡＴＩＯＮ２０１４年第４期地效飞行器近水面巡航气动特性数值模拟◎陈晓明徐惠民／南京航空航天大学地面效应是机翼贴近表面运动时出现的一种使机翼在飞行状态下的纵向操纵性和稳定性；乐挺等利用理论分气动特性发生显著变化的空气动力学现象，即升力增大、析方法分析了地效飞行器不同于常规飞机的纵向稳定性诱导阻力减小。地效飞行器正是利用这种效应实现掠海准则，分析出重心与迎角焦点和高度焦点的位置关系。为高速飞行的运载工具，具有高升阻比、高速安全等特点，已进一步研究地效飞行器纵向静稳定性特性，利用数值计算受到许多国家的重视。和理论分析相结合方法，研

2、究某型地效飞行器在地效区内近年来，国内外研究者应用试验、理论和数值模拟方巡航高度和迎角对气动力和力矩的影响规律，分析其纵向法对三维地效飞行器近水面气动特性进行了比较深入的静稳定性随迎角和飞行高度的变化规律，得出该地效飞行研究。恽良等对“天鹅号”地效翼船进行了试验研究；洪亮器满足纵向静稳定性的巡航状态。等用标准ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模型计算了ＸＴＷ４地效翼船巡航状态空气流场，并将计算结果与试验值对比，表明数值１数值方法及地面边界条件选取模拟可获得一定精度的结果；屈秋林等通过求解定常可压分别使用固定地面、自由滑移壁面以及对称边界条件对缩流动的质量加权平均Ｎ－Ｓ

3、方程和标准ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ湍流模二维翼型近地面气动特性进行数值模拟。翼型为ＮＡ－型，模拟了地效飞行器大迎角近地面飞行的全机流场，阐ＣＡ００１２，弦长为１０００ｍｍ，雷诺数为１．４６×１０６，飞高（翼型或述了流动分离对气动性能的影响规律。大量研究表明：随机翼后缘距水面距离与平均气动弦长之比）为０．４。同时利着飞行高度降低，地效飞行器升力和升阻比均增加。用ＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ）二相流模型计算了翼型该状态气动一方面，由于地效飞行器巡航高度一般较小，离水面特性，ＶＯＦ是一种流体占据网格单元体积分数的途径来跟踪很近，因此其纵向静稳定性就显得尤为重要；

4、另一方面，其自由面变化的方法，应用于地效飞行器近水面巡航数值计算纵向静稳定性不但与飞行迎角有关而且与飞行高度有关，能很好地模拟水面波动情况，能够更加真实地模拟地效飞行使得影响其纵向静稳定性的因素更为复杂，然而涉及地效器掠海飞行的气动特性。图１为不同地面边界条件下流场的飞行器纵向稳定性的研究并不是很多。Ｓｔａｕｆｅｎｂｉｅｌ对Ｘ－速度分布，图２为ＶＯＦ模型计算自由液面波动，表１为不同１１２系列地效飞行器运用理论分析方法进行了稳定性及地面边界条件下以及不同湍流模型升力系数。操纵性研究；张红玲等用数学模型方法研究了地效飞行器图１速度分布表１不同计算方法的升力系数

5、能较好地模拟地面效应气动特性。使用固定地面作为边界条件时，计算结果较试验值偏大，而另外两种边界条件ＦｉｘｅｄＦｒｅｅＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＣａｌ．ｄａｔａＥｘｐ．ｄａｔａｇｒｏｕｎｄｍｏｖｉｎｇｇｒｏｕｎｄｇｒｏｕｎｄｏｆＶＯＦ与试验结果更为接近。从图１可看出使用固定地面作为Ｓ－Ａ０．４８１９４０．４７５４９０．４７４６３边界条件时，由于粘性的影响将使得地面附近的空气速度０．４６６７０．４７４２４ｋ－ε０．４４４３０．４２１４２０．４２１５被减弱，从而使得机翼下翼面与地面之间的区域压强增大，最终导致对升力系数的高估。而无滑移、与流场一起从表１中的计算数据可

6、以得出，ｋ－ｅｐｓｉｌｏｎ模型计算自由移动的地面因不会受到粘性的影响，更接近实际情结果与试验数据相比误差为９％左右，而Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａ－况，可以得到相对准确的结果。对称边界条件具体定义为ｒａｓ模型的误差则为２％左右，可见Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ模型在对称平面内法向速度为零、所有变量的法向梯度为零，第４期陈晓明，等：地效飞行器近水面巡航气动特性数值模拟１３采用基于格心的最小二乘法，粘性通量采用中心格式；在粘性流动分析中，湍流模型选用在航空领域广泛采用的Ｓｐａｒｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ一方程湍流模型。３全机近水面巡航气动特性计算结果及分析３

7、．１全机升阻特性计算结果及分析该型地效飞行器在不同巡航高度下升力特性如图４所示。由图４（ａ）可看出，在不同高度下升力系数随迎角近似线性变化，随着高度的降低升力线斜率增加，表明地图２ＶＯＦ模型计算自由液面面效应愈加明显；由图４（ｂ）可看出地面效应的强弱与迎角有关：迎角越大，地面效应越强，当迎角增大时，机翼下则表示对称边界的剪应力为零，所以在粘性流动计算中也翼面对空气的阻塞更加严重，使得机翼下表面与地面之间可以用来代替滑移壁面。根据表１可以知道ＶＯＦ模型的区域压强更大，地面效应会显得越强。而在同一迎角计算结果与试验值的误差为１．６％，准确度最高，但是利下，升力

8、系数随高度呈非线性变化，越接近地面，升力系数用ＶＯＦ两相流模型计算