多段翼型高精度数值模拟技术研究

采用五阶精度的加权紧致格式(WCNS)数值模拟了NLR7301两段翼型、30P-30N三段翼型的复杂流场,主要目的是考核WCNS格式模拟多段翼型复杂流场的能力,研究湍流模型、转捩位置对多段翼型压力分布和典型站位速度型的影响。通过求解任意坐标系下的雷诺平均的N-S方程,采用多块对接结构网格技术,在与相应实验结果对比的基础上,详细研究了SA一方程湍流模型、SST两方程湍流模型、转捩位置对该翼型压力分布和典型站位速度型的影响。研究结果表明,基于WCNS格式,采用全湍流模拟方式可以较好地模拟该多段翼型的压力分布,但对边界层速度型和阻力系数的模拟精度较差;模拟实验的转捩位置可以改善边界层和尾迹区的模拟精度,提高阻力的数值模拟精度。     

TRIP2．0软件湍流模块的开发与确认

基于TRIP2.0_SOLVER数值模拟软件,开发了湍流模型方法库,目前该CFD软件中集成的湍流模型主要包括B-L代数湍流模型、SA一方程模型和SST两方程模型.为了考核不同的湍流模型工程适用性,本文采用对接网格技术,通过有限体积法数值离散三维任意坐标系下的RANS方程组,应用LU分解、MUSCL差分格式和低雷诺数SA和SST两种湍流模型,数值模拟了二维NLR-7301两段翼型和三维DLR-F6翼身组合体的绕流流场,计算与试验比较的内容包括了表面的压力系数分布、典型站位的速度型和气动特性曲线等内容.通过计算与试验的比较,在本文的计算范围内,采用两种湍流模型均可以得到与试验结果相吻合的压力分布和升力曲线,但在边界层内的速度型、粘性阻力和力矩特性等方面,不同的湍流模型具有明显的差异.     

多段翼型缝翼前缘结冰大迎角分离流动数值模拟

应用基于SST(Shear-Stress-Transport)湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,对大迎角状态下多段翼型缝翼前缘典型角状冰引起的复杂分离流动进行了数值模拟研究。采用后台阶流动标准算例和干净无冰多段翼型分离流动算例对数值方法的可靠性和适用性进行了验证。缝翼结冰状态下的数值模拟结果表明:来流迎角较大时,前缘角状冰将会导致结构相对稳定的流动分离泡产生,分离泡的非定常尾迹会对主翼前缘附近流场产生较为强烈的干扰,抑制了缝道流动的加速效应,使得缝翼增升效率降低。在失速点附近,由于分离泡回流强度随来流迎角而增长,同时脱落旋涡的输运方向逐渐向远离壁面方向偏移,使得尾迹影响区域范围和强度均有所增加。     

高阶精度方法下的湍流生成项对低速流动数值模拟的影响研究

基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了SST两方程模型不同湍流生成项对低速流动数值模拟的计算分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR7301两段翼型和Trap Wing高升力构型,研究内容主要包括不同湍流生成项对收敛历程、边界层湍流粘性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布、气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于低速二维流动,不同湍流生成项对收敛历程有比较明显的影响,对附面层湍流粘性系数分布和速度型影响不明显,不同湍流生成项主要影响主翼前缘的吸力峰值,进而影响升力系数和压差阻力系统;对于低速三维流动,不同湍流生成项对低速流动的收敛特性影响不明显,对翼梢涡的模拟精度有比较明显的影响,进而影响翼梢站位的压力分布和总体气动特性。     

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟

采用基于k-ωSST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响。首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的。经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速。     

基于放大因子与Spalart-Allmaras湍流模型的转捩预测

为了验证放大因子输运方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型耦合对转捩现象的模拟精度,选取Schubauer and Klebanoff(S-K)平板、S809低速翼型、30p30n多段翼型以及复杂的三维HiLiftPW-1构型进行自由转捩计算,并将计算结果与实验进行比较分析,其中针对S809算例,还与Langtry-Menter(L-M)转捩模型进行了比较.算例结果表明:放大因子输运方程与S-A湍流模型的耦合能够较好的捕捉转捩位置以及转捩发展过程,对分离泡诱导的转捩的模拟相比L-M转捩模型更精确,转捩位置的捕捉精度提升了10%;对比实验,多段翼转捩位置的捕捉误差最大为6.5%;针对三维高升力增升构型,以实验作为参考,全湍流计算与考虑边界层转捩的对比显示考虑边界层转捩能够更加精确的模拟气动力系数,升力和表面摩擦阻力系数的模拟精度精度提升1%.      

梯形翼风洞试验模型数值模拟技术

基于雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程和结构网格技术,采用二阶空间离散精度的MUSCL格式,并结合k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型和γ-Re_θ转捩模型,研究了梯形翼风洞试验模型中前缘缝翼、后缘襟翼连接装置对气动特性的影响。简要介绍了本文采用的计算方法;介绍了梯形翼的风洞试验模型及风洞试验结果;在网格收敛性研究的基础上,采用"全湍流"方式和转捩模型研究了梯形翼试验模型连接装置对气动特性的影响。通过与不带连接装置的计算结果的对比,采用"全湍流"模拟方式,计算模型中考虑试验模型的连接装置引起升力系数下降、阻力系数下降、低头力矩减小以及失速迎角提前;通过与试验数据的对比,进一步考虑转捩影响可以提高梯形翼风洞试验模型气动特性的计算结果与试验结果的吻合程度,梯形翼风洞试验模型失速迎角附近的气动特性数值模拟技术还需要进一步的研究。     

低速两段翼型的数值模拟

在多段翼型风洞实验中,很难观察翼型不同迎角下主翼、襟翼上的绕流及缝道流动。使用了O-H型混合的结构化网格,采用k-ε二方程湍流模型求解可压的N—S方程来模拟二元风洞中两段翼型的流场。计算结果与实验进行了比较,结果表明：计算与实验结果吻合良好,说明本方法可以较好地模拟两段翼型的绕流,并能很好地显示流场的变化情况。另外,从结果中可以看出：随着迎角的变化,主翼尾流和缝道间的流动对襟翼附面层分离有很大的影响作用。     

翼伞弧面下反角、翼型和前缘切口对翼伞气动性能的影响

为了研究翼伞弧面下反角、翼型和前缘切口对翼伞气动性能的影响,对带气室的、展弦比为3的不同特征几何参数翼伞模型的流场进行了三维、定常数值模拟。运用有限体积法对三维坐标系下不可压雷诺时均Navier-Stokes (RANS)方程进行了直接求解,采用剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型对湍流进行模拟。数值模拟得出的原始翼伞的气动性能参数与试验数据在总趋势上符合很好,不同几何参数翼伞模型计算结果表明:翼伞弧面下反角越大,升力及诱导阻力越小,升阻比变化不大;前缘半径、厚度小的翼伞翼型,阻力更小,升阻比大;前缘切口对翼伞影响区域限于前缘附近,压力分布同干净翼类似,降低了其失速迎角,对升力影响不大,但明显增大阻力。该数值方法可为进一步研究更多不同几何参数的翼伞模型提供参考。     

基于修正边界层转捩的翼型气动特性研究

边界层转捩是决定翼型流场特性的重要因素,因此在航空工程中开展边界层转捩研究具有重要意义.从转捩流动的物理特征出发,引人间歇函数对k-ω SST两方程湍流模型的Wilcox转捩模式进行了修正,进而对传统的NACA0012翼型的流场特性和气动性能进行了研究,并与原始边界层转捩的计算结果以及试验结果进行了比较.研究表明,改进后的模型对转捩位置具有较好的预测能力;在采用修正边界层转捩模型的情况下,翼型的阻力预测精度有了一定程度的提高.     

来流湍流度及端壁效应对涡轮叶片上对流换热的影响

利用大尺寸低速开式叶栅风洞对涡轮叶片表面的对流换热进行了实验测量,叶片高度方向布置了3个测量位置,距端壁距离分别为5mm,30mm及150mm.重点对比研究了高来流湍流度、端壁效应及来流雷诺数对涡叶片中部及根部区的过渡起始点、过渡区长度及换热的影响。实验参数范围是:来流湍流度Tu=0.75～13.5%,来流雷诺数Re=60000～240000.      

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

口径30mm空心弹真实条件下的气动特性研究

为了更深入细致地研究空心弹在各不同条件下的空气动力学特性及其影响因素,以口径30mm的空心弹为研究对象,通过Fluent软件数值仿真空心弹内外流场,以获得相关数据和气动力参数。对比了空心弹丸和实心弹丸的流场,结果表明：空心弹丸阻力系数比实心弹丸的要小很多。运用不同的控制方程对空心弹丸进行数值模拟,结果表明：采用单方程模型对于阻力系数的计算更精确,对流场的模拟也更接近实验结果。     

高超声速流动中噪声与湍流度的关系

在不可压缩流动中，湍流度对流动失稳与转捩的影响机制有很多研究成果，已发展了一些依据其大小预测流动转捩的模型应用于工程设计。但在高速可压缩流动中，湍流度很难测量，给该速域的流动转捩预测建模带来困难。近年来的研究表明，高速流场（马赫数≥3）中的噪声是影响流动转捩提前与推迟，甚至决定转捩途径的关键因素。但流场噪声与湍流度对流场的激励机制有没有内在联系，或流场噪声与湍流度理论上是否存在相互关联，迄今仍缺少理论分析结果。由于可压缩流场中噪声的测量相对容易，因此探讨流场噪声与湍流度之间的定量关系具有重要的理论意义和实用价值。讨论了Euler系统中各类双曲波特性，重点分析了流场声波中脉动压力与脉动速度的本质联系，从理论上得到了声压级与声致湍流度的关系。同时，为了对影响湍流度的因素有更全面的认识，导出了非声扰动与非声致湍流度的关系。为建立高速流动转捩预测模型和探讨天地一致性问题，奠定了一定的研究基础。     

用转捩模型预测转捩及确定最佳粗糙带高度

采用SST k-ω二方程湍流模型,附加γ-Reθ转捩模型对不同迎角下的NACA0012翼型绕流进行了转捩预测,计算预测的转捩位置与实验结果符合较好,说明γ-Reθ转捩模型对转捩位置具有较好的预测能力。进一步用模型对带有粗糙带的翼型进行转捩预测,获得了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,对固定转捩风洞实验有指导意义。     

基于SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较

利用作者共同研发的In-house代码TRANS3D平台,在SA和SST两种常用湍流模型框架下构建了γ-■转捩模型,并以二维低速S809层流翼型和三维小后掠跨音速F5层流机翼为对象,比较了两种不同湍流模型构架下γ-■转捩模型预测的气动力特性和流场分布。结果表明:两种转捩模型均能预测航空转捩计算中常见的分离流转捩和自然转捩类型,明显改善了中低雷诺数流场下的预测精度,但由于选取基准湍流模型的不同,基于SA和SST的γ-■转捩模型在流动细节上依然存在着一些差异。     

Evaluation of Turbulence Models in Predicting Hypersonic and Subsonic Base Flows Using Grid Adaptation Techniques

The flows behind the base of a generic rocket, at both hypersonic and subsonic flow conditions, are numerically studied. The main concerns are addressed to the evaluation of turbulence models and the using of grid adaptation techniques. The investiga- tion focuses on two configurations, related to hypersonic and subsonic experiments. The applicability tests of different turbulence models are conducted on the level of two-equation models calculating the steady state solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations. All used models, the original Wilcox k-ω, the Menter shear-stress transport (SST) and the explicit algebraic Reynolds stress model(EARSM) formulation, predict an asymmetric base flow in both cases caused by the support of the models. A comparison with preliminary experimental results indicates a preference for the SST and EARSM results over the results from the older k-ω model. Sensitivity studies show no significant influence of the grid topology or the location of the laminar to turbulent transition on the base flow field, but a strong influence of even small angles of attack is reported from the related experiments.     

低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进

为评估并提高现有转捩模型的预测精度,采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT 12.1,选取层流模型、全湍流模型、剪切应力输运(SST)低雷诺数模型、k-kl-ω模型以及γ-Reθ模型对低压涡轮叶栅T106-EIZ进行数值模拟,通过与实验数据的对比校验了后3种模型对于转捩以及相关参数的模拟能力,并对结果以及模型的作用机理进行分析,校验结果表明所有模型都不能准确地预测分离流转捩以及尾迹诱导转捩.选取预测效果较好的γ-Reθ模型进行了修正,提出通过修改间歇因子输运方程中的参数Ca1和Ca2的方法来修正该模型,结果表明该方法可以提高模拟精度.     

绕翼型低速湍流的数值模拟

采用求解低速流动的SIMPLE算法,用标准K-ε两方程模型、非线性K-ε两方程模型和一种改进的K-ε两方程模型来对绕两种翼型（A翼型和GAW-1翼型）在接近失速攻角情况下的低速湍流流动进行了数值模拟。计算结果表明,非线性K-ε两方程模型和改进的K-ε两方程模型较好地模拟出了翼型表面上的分离流动特性,较准确地预测出了分离点位置以及翼型的气动力系数,对翼型与机翼的工程设计具有一定的参考价值。