基于混合网格的飞行器大迎角DES类数值模拟方法研究

发布时间：2017-10-30 10:26

  本文关键词：基于混合网格的飞行器大迎角DES类数值模拟方法研究

  更多相关文章： 大迎角 大分离流 脱体涡模拟 耗散自适应 网格自适应 有限体积法 混合网格

【摘要】：大迎角分离流动是现代飞行器气动特性研究中的常见问题,其重要的应用价值不言而喻。然而,迄今为止要对此类流动进行准确地预测是非常困难的,数值模拟的可信度往往难以令人满意。这一方面是由于物理外形过于复杂,难以生成高质量的网格,影响了数值解的精准度。另一方面是由于流动中包含了许多非定常、非线性的物理机制,给数值模拟方法带来严峻挑战。面对这一难题,本文从湍流模型、数值格式、计算网格三个关键因素出发,开展了相关探索和研究,期望能够建立一套更加工程可靠的数值模拟方法,进一步提高复杂飞行器大迎角气动特性数值模拟能力。由于非结构/混合网格对复杂外形具有良好的适应性,因此全文的研究以此类网格为基础。针对大迎角大范围分离湍流模拟问题,本文选用了当前最具工程应用前景的脱体涡模拟(DES)模型。鉴于传统二阶精度迎风格式具有较大的数值耗散和色散,不利于多尺度湍流结构的精细模拟,本文发展了一种基于原始Roe格式的自适应耗散混合格式,较好地控制了数值耗散对DES类模拟的影响,同时还建立了网格自适应方法,可以高效地增加DES类模拟流场的空间分辨率。最后基于这些改进措施进行了三角翼和现代战斗机构型的大迎角分离流动IDDES模拟,并初步开展了飞行器大振幅俯仰运动的IDDES模拟,计算与试验两者数据较为吻合,表明本文算法具有良好的应用前景。全文分为七章。第一章为引言,简要介绍了飞行器大迎角气动特性研究的背景和意义;综述了国内外在该领域的研究进展,包括机理研究、试验技术、数值离散方法、湍流模拟方法、网格技术等方面的发展概况;最后简述了本文的主要工作。第二章介绍了本文采用的数值模拟方法。为了提高二阶精度有限体积算法的湍流数值模拟能力,在原始Roe格式基础上建立了与DES类方法相匹配的自适应耗散混合格式;通过Fourier分析讨论了不同格式的色散、耗散特性,研究表明在二阶精度下混合格式的数值特性有利于DES类模拟;分别基于Spalart-Allmaras(SA)一方程湍流模型和k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,建立了基于非结构/混合网格的DES类方法。第三章对数值模拟方法进行了算例验证。首先利用均匀各向同性衰减湍流算例对整套DES算法的经验参数进行了标定;然后通过雷诺数(Re)为3900的圆柱绕流、NACA0021翼型60°大迎角分离流动、超声速圆柱底部流动和NACA0012翼型俯仰振荡等典型算例,对本文DES类方法进行了检验。计算表明,DES类方法的数值表现总体优于RANS方法,而采用混合格式的DES类算法能够有效减小数值耗散对DES类计算的影响,解析出更小尺度的湍流旋涡结构,计算数据更接近试验值。第四章描述了本文建立的混合网格自适应方法,其目的是期望将DES类方法、混合格式、网格分布三者有机结合在一起,在进一步提高数值解分辨率的同时又尽可能地减少工作量。自适应策略采用了h type方式;对于自适应过程中产生的悬空点,通过向相关网格单元插入对应节点,来消除其影响,使网格单元之间完全相容,自适应生成的网格可直接用于计算;最后,由一些简单算例验证了程序的正确性。第五章进行了65°后掠三角翼旋涡流动的数值模拟,对自适应耗散混合格式、网格自适应技术和IDDES方法开展了综合应用。计算发现:采用原始Roe格式的IDDES计算仅模拟出了泡型涡破裂,而采用自适应耗散混合格式的IDDES计算模拟出了泡型、螺旋型和双螺旋型等涡破裂形态;基于自适应网格的IDDES计算则捕捉到更为精细的流场结构。第六章开展了复杂飞行器大迎角分离流数值模拟的应用,选取的外形为类F22战斗机模型。首先简要介绍了风洞试验情况。随后进行了静态大迎角分离流的计算。从预测的气动力系数与试验数据的对比来看,IDDES模型相对于RANS模型仍然具有明显的优势。由流动结构的详细比较表明,IDDES模拟流场具有更强的三维非定常特性。最后,初步数值模拟了类F22战斗机模型大振幅俯仰运动,考虑到计算网格的尺度较粗以及动态试验的误差修正等不确定因素,IDDES计算结果与试验测量数据之间的相符程度还是不错的。第七章结束语,总结了本文的工作,指出了其中的不足,并对今后的研究方向进行了展望。
【关键词】：大迎角 大分离流 脱体涡模拟 耗散自适应 网格自适应 有限体积法 混合网格
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 引言11-23
• §1.1 研究背景11-13
• §1.2 飞行器大迎角分离流动相关机理研究的进展13-14
• §1.3 大迎角风洞试验技术的发展现状14-16
• §1.4 大迎角分离流数值模拟技术的研究进展16-20
• §1.4.1 网格生成技术研究进展16-18
• §1.4.2 湍流数值模拟方法研究进展18-19
• §1.4.3 数值离散方法发展现状19-20
• §1.5 本文研究内容20-23
• 第二章 数值计算方法23-40
• §2.1 控制方程23-29
• §2.1.1 NS方程23-25
• §2.1.2 湍流模型方程25-29
• §2.2 空间离散方法29-35
• §2.2.1 无黏数值通量29-31
• §2.2.2 格式耗散调节系数影响分析31-34
• §2.2.3 黏性数值通量34-35
• §2.3 时间离散35-36
• §2.4 边界条件处理36-38
• §2.4.1 物面边界条件36
• §2.4.2 远场边界条件36-38
• §2.4.3 周期边界条件38
• §2.5 几何守恒律38
• §2.6 网格分区及并行计算38-39
• §2.7 小结39-40
• 第三章 数值计算方法验证40-62
• §3.1 均匀各向同性衰减湍流40-42
• §3.2 雷诺数为3900的圆柱绕流42-46
• §3.3 NACA0021翼型 60°大迎角分离流动46-52
• §3.4 超声速圆柱底部流动52-54
• §3.5 NACA0012翼型俯仰振荡54-61
• §3.6 小结61-62
• 第四章 混合网格自适应技术62-82
• §4.1 自适应策略62-66
• §4.2 关联信息的解析66-68
• §4.3 新网格数据的生成68-74
• §4.4 自适应判据74
• §4.5 网格分布的优化74-75
• §4.6 自适应与并行计算的耦合75
• §4.7 自适应计算基本执行流程75-77
• §4.8 网格自适应算例验证77-81
• §4.8.1 雷诺数为40的圆柱绕流77-78
• §4.8.2 超声速圆柱绕流78-79
• §4.8.3 M6跨声速机翼79-81
• §4.9 小结81-82
• 第五章 三角翼大迎角气动特性DES类模拟82-93
• §5.1 65°后掠三角翼旋涡流动模拟82-86
• §5.2 65°后掠三角翼自适应计算86-92
• §5.3 小结92-93
• 第六章 复杂飞行器大迎角气动特性DES类模拟93-105
• §6.1 风洞试验简介93-94
• §6.2 静态大迎角DES类模拟94-101
• §6.3 大迎角俯仰运动DES类模拟101-104
• §6.4 小结104-105
• 第七章 结束语105-108
• §7.1 本文工作总结105-106
• §7.2 后续工作展望106-108
• 致谢108-110
• 个人简介110-111
• 参考文献111-121

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本文编号：1117258