基于统一壁面流动模型的开孔壁风洞数值修正研究

发布时间：2020-05-08 07:01

【摘要】：为减小跨声速风洞的洞壁干扰,满足飞行器地面气动实验的精度要求,开展跨声速孔壁的几何参数优化设计就显得尤为必要。诸如最优的开闭比、倾斜角和深径比等。本文基于课题组发展的统一壁面流动模型,开展了壁板最优开闭比的优化设计,研究了非均匀开闭比分布下的洞壁干扰修正。首先,将DLR-F4翼身组合体分别置于上下壁面为变开闭比的透气壁风洞洞壁数值模拟边界条件与远场边界条件中,采用CFD方法进行流场计算,壁面开闭比即为本文优化参数。通过拉丁超立方采样,分别设计了0.6马赫数与0.75马赫数下各70组样本点,将每一组流体计算结果的壁面位置处的质量流量与远场同样位置处质量流量的差值进行积分,此处积分值即为本文单目标优化的目标函数。在此基础上,利用Isight软件,为减少大量的绕流计算采用Kriging近似模型,并结合多岛遗传算法进行优化得到结果。其次,将优化后的开闭比结果代入透气壁壁面边界条件,再次进行流场计算。通过对比优化后的变开闭比边界状态、远场边界状态、均匀斜孔壁状态以及均匀直孔壁状态下的流场特性可知:在优化后的变开闭比壁面边界条件下,DLR-F4的升力系数得到明显提高,洞壁干扰效应明显减小,显著提高了流场质量。本文对跨声速透气壁风洞壁面的设计提供了一种更为简单高效的方式,减小了风洞实验成本,洞壁干扰修正的精度得以极大提高。
【图文】：

试验段,开孔,跨声速风洞

1.1 跨声速风洞洞壁研究背景在现代飞行器的研制过程中，风洞试验和 CFD 计算二者总是相互验证，相互补充，这极大的节省了飞机的设计和开发费用[1]，其中，风洞试验一直是空气动力学领域不可或缺的设计验证工具，由于其结果具有较高的精确度与准确度，因此一直是飞行器气动设计的主要来源。但实验数据的获取总是耗费着大量的人力与物力。随着计算机性能的不断提高，流场数值模拟逐渐取代了大量的风洞实验。已逐渐成为各种飞行器气动设计的必要工具之一。跨声速风洞通常是指实验段气流的马赫数为 0.4~1.4 之间的风洞。风洞洞壁通常采用透气壁的方式，一般来说，跨声速风洞洞壁的透气壁形式分为开孔式与开缝式。我国最常用是开孔式（如图 1.1），欧美国家则采用开缝式（如图 1.2）。风洞试验数据的准确性通常受风洞品质的优劣，实验设计合理性大小，测量控制水平高低，数据采集的方式是否合理，数据处理方法的改进以及其他各种各样可能存在的干扰修正等诸多因素的影响[2]。在这些影响形式中，风洞洞壁干扰成为不可忽视的因素之一。在跨声速风洞中，由于存在着复杂的流场和各种各样的激波形式，很难进行壁面干扰修正。透气壁的出现可以减小风洞中的各种堵塞问题，为跨声速风洞提供均匀流动的空气。同时，它也可以减小或消除跨声速风洞洞壁的干扰和冲击反射的影响[3]。

跨声速风洞,风洞实验,精确度,试验段

1.1 跨声速风洞洞壁研究背景在现代飞行器的研制过程中，，风洞试验和 CFD 计算二者总是相互验证，相互补充，这极大的节省了飞机的设计和开发费用[1]，其中，风洞试验一直是空气动力学领域不可或缺的设计验证工具，由于其结果具有较高的精确度与准确度，因此一直是飞行器气动设计的主要来源。但实验数据的获取总是耗费着大量的人力与物力。随着计算机性能的不断提高，流场数值模拟逐渐取代了大量的风洞实验。已逐渐成为各种飞行器气动设计的必要工具之一。跨声速风洞通常是指实验段气流的马赫数为 0.4~1.4 之间的风洞。风洞洞壁通常采用透气壁的方式，一般来说，跨声速风洞洞壁的透气壁形式分为开孔式与开缝式。我国最常用是开孔式（如图 1.1），欧美国家则采用开缝式（如图 1.2）。风洞试验数据的准确性通常受风洞品质的优劣，实验设计合理性大小，测量控制水平高低，数据采集的方式是否合理，数据处理方法的改进以及其他各种各样可能存在的干扰修正等诸多因素的影响[2]。在这些影响形式中，风洞洞壁干扰成为不可忽视的因素之一。在跨声速风洞中，由于存在着复杂的流场和各种各样的激波形式，很难进行壁面干扰修正。透气壁的出现可以减小风洞中的各种堵塞问题，为跨声速风洞提供均匀流动的空气。同时，它也可以减小或消除跨声速风洞洞壁的干扰和冲击反射的影响[3]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211.74

【相似文献】