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《渦流發(fā)生器繞流模擬的數(shù)值方法研究.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、渦流發(fā)生器繞流模擬的數(shù)值方法研究劉剛1，劉偉2，牟斌2，肖中云2（1．西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西西安710072）（2．中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算所，四川綿陽621000）摘要：本文利用RANS方程和SA湍流模型解算器，采用多重網(wǎng)格法和預(yù)處理技術(shù)，對葉片式渦流發(fā)生器進行了數(shù)值模擬研究，初步探討了渦流發(fā)生器的安裝方式、剖面形狀、幾何尺度等因素在機翼分離流動控制中的影響規(guī)律和設(shè)計原則，并初步研究了安裝渦流發(fā)生器對超臨界機翼氣動性能的影響。關(guān)鍵詞：渦流發(fā)生器；分離流控制；預(yù)處理；多重網(wǎng)格0引言渦流發(fā)生器（VortexGenerators,簡稱VG）是
2、在二十世紀中期首先由Taylor[1]提出的。一般說來,常規(guī)的平板式渦流發(fā)生器都是垂直安放在機翼上表面邊界層內(nèi)，并與當(dāng)?shù)貋砹鞅３忠欢ǖ膫?cè)向夾角。渦流發(fā)生器的作用：一方面是通過小平板產(chǎn)生的尾渦攪動分離區(qū)內(nèi)的氣流，使邊界層上部的高能氣流得以與近壁的低能氣流混合而增加近壁流體的動量和能量，從而延緩分離；另一方面是利用渦流發(fā)生器產(chǎn)生的尾渦阻隔向外翼的流動，防止低能氣流在外翼上堆積，從而進一步增加升力和減少阻力。在一定場合安裝渦流發(fā)生器也可以用于改善跨聲速激波/邊界層干擾特性和抖振特性[2]。半個多世紀來，渦流發(fā)生器在飛機、擴壓器、收縮后體、增升裝置和渦輪葉
3、片，甚至先進戰(zhàn)斗機上均獲得了廣泛應(yīng)用。渦流發(fā)生器作為一種被動式的流動控制部件，是針對某一個或幾個流動狀態(tài)而設(shè)計安裝的，其優(yōu)點在于簡單易行，成本低廉，而不足之處就是氣動單點設(shè)計，不能線性控制，給巡航等非設(shè)計狀態(tài)帶來了不必要的阻力。因此針對被動式渦流發(fā)生器的設(shè)計安裝必須兼顧其在非設(shè)計狀態(tài)下的工作效能。盡管國外在渦流發(fā)生器的研制上已經(jīng)取得了很大進展，并且得到了實際應(yīng)用，但很多問題至今仍然不夠清楚，同時也缺乏一些強有力的數(shù)值分析和設(shè)計軟件[2]-[7]。由于渦流發(fā)生器的尺寸非常微小，并且安裝在黏性起主要作用的邊界層內(nèi)，因此，要準確模擬邊界層內(nèi)的黏性效應(yīng)和渦
4、流發(fā)生器產(chǎn)生尾渦流等問題，對CFD數(shù)值模擬帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。目前，國內(nèi)正在開展民機預(yù)研，采用渦流發(fā)生器是改進和提高民機氣動特性的一項重要措施，所以進行渦流發(fā)生器的數(shù)值模擬工作是很有意義和必要的。1數(shù)值計算方法本文采用在笛卡兒坐標系下，不計體力和無熱源的三維非定常RANS積分方程組作為數(shù)值模擬的主控方程，見公式（1）。(1)采用有限體積離散方式將主控方程離散。對無黏通量項的離散，在亞音速情況下，采用的是Jameson中心差分格式；在跨音速情況下，采用的是VanLeer格式。黏性通量項采用中心差分格式離散。對時間的積分采用的是隱式LU-SGS格式。采用
5、SA一方程湍流模式[8]計算湍流黏性項。本文的計算中，一方面，要涉及到低馬赫數(shù)（M0.174）狀態(tài)的計算；同時，在某些情況下計算網(wǎng)格的規(guī)模又非常大（約400-600萬網(wǎng)格單元），因此特別在計算中引入了已經(jīng)獲得驗證的預(yù)處理技術(shù)[9]和多重網(wǎng)格技術(shù)加速迭代收斂[10]。2計算結(jié)果及其分析2.1在平直翼上安裝渦流發(fā)生器計算馬赫數(shù)為0.174，攻角從到，雷諾數(shù)為。由于來流速度較低，采用了預(yù)處理技術(shù)加速迭代收斂。渦流發(fā)生器的安裝基體為一超臨界平直翼，并根據(jù)四種渦流發(fā)生器安裝起點距離后緣直線距離的不同分別記為A-116.5，A-125，B-145，B-192四
6、種。在翼剖面Z向兩端加周期性邊界條件。網(wǎng)格參見圖1。考慮到計算中所采用的渦流發(fā)生器系列法向高度都只有，約2.5～5mm的量級，其上邊緣剛好處在邊界層外邊界附近，而邊界層附近的網(wǎng)格是非常密的，因此在數(shù)值模擬渦流發(fā)生器的每一個階段都必須要考慮圖1A，B類型渦流發(fā)生器表面網(wǎng)格渦流發(fā)生器附近細密網(wǎng)格對計算結(jié)果可能帶來的影響。這一點對整個計算流程的可行性是至關(guān)重要的。對此，針對每一個狀態(tài)的計算都分兩步進行：狀態(tài)Ⅰ：計算渦流發(fā)生器安裝在窄翼上的真實情況，此時，圖1中的渦流發(fā)生器表面均設(shè)定為正常的壁面邊界（solidsurface）條件；狀態(tài)II：計算渦流發(fā)生器
7、附近細密網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，此時將圖1中的渦流發(fā)生器實體內(nèi)部用網(wǎng)格填滿，那么原來的solidsurface自動變成內(nèi)部網(wǎng)格對接邊界條件。這樣，通過狀態(tài)Ⅰ和狀態(tài)II的結(jié)果對比，就可以在不改變平直翼上表面網(wǎng)格分布和構(gòu)型的情況下，得到同一安裝條件下加與不加渦流發(fā)生器時氣動力特性的變化，從而完全排除了由于渦流發(fā)生器附近細密網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響。表1計算所得A-125-Ⅰ與A-125-Ⅱ差量（A-125-ⅡfromCFD）AoA（）ClCdK100.0087-0.00394.5512-0.0029-0.00010.0113-0.00220-0.04表2安裝
8、A-125渦流發(fā)生器后實驗得到的差量AoA（）ClCdK10-0.0038-0.00474.1712-0.0004-0.0
