結構網格的柵格翼繞流模擬范文

本站小編為你精心準備了結構網格的柵格翼繞流模擬參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《空氣動力學學報》2014年第三期

1數值模擬方法

1．1控制方程對于三維非定常可壓縮粘性流動，一般曲線坐標系下的N－S方程可寫作。

1．2數值方法及邊界條件對于流場的求解，采用有限體積法進行空間離散，隱式方法結合多重網格加速收斂技術進行推進求解。空間無粘通量采用ROE的通量差分分裂方法來離散，粘性通量采用二階中心差分格式離散，并且采用MINMOD限制器以保證格式單調性。時間方向采用隱式LU－SGS方法推進求解，并結合多重網格技術加速收斂。超聲速遠場邊界條件入流邊界所有參數為自由來流值，出流邊界所有參數由內流場外插得到；亞聲速遠場邊界條件采用Riemann不變量處理的無反射邊界條件；柵格翼導彈對稱面按對稱條件處理，物面采用無滑移邊界條件。

1．3多重網格技術多重網格技術是數值算法中一種加速收斂的迭代技術。其基本思想就是細網格松弛、粗網格修正和套迭代技術。即先在細網格上迭代以消除高頻振蕩誤差，再在粗網格上迭代消除低頻光滑誤差，如此逐步使網格粗化從而把各種頻率誤差消除，再有套迭代技術將粗網格上的解依次返回到各級細網格上。計算過程中采用多重網格法中非線性方程的全近似格式（FAS格式）；網格粗化則采用標準粗化策略；套迭代技術采用W循環，保持收斂因子不隨網格層的變化而變化，魯棒性好；插值算子采用三線性插值算子；限制算子則為體積加權算子。

1．4數值計算模型數值計算模型采用在加拿大DREV風洞中的進行大量試驗的柵格翼導彈外形，如下圖所示，具體尺寸參見文獻［19］。針對這種復雜的框架結構，生成點對點的結構網格，以此為基礎開展柵格翼導彈亞跨超氣動特性的數值模擬。

2網格生成

隨著應用環境的不同，對柵格翼的氣動性能也提出了不同的要求。這就導致柵格翼的結構形狀和包含的格框數也大不相同，這給結構網格的生成帶來很大困難。本文采用多塊對接網格的思想，將柵格翼這種復雜的升力面系統分成一個個的柵格框（如圖2所示），然后分別在不同柵格框內生成結構網格，相鄰兩塊公共邊界上的網格點為兩塊公共的網格點。相鄰塊網格點數相同，為點對點的對接，不同子塊的網格共同充滿整個流場。各個子塊根據不同的物面形狀和流場特點采取不同的網格拓撲，在柵格框內生成O型網格，其他區域內生成H型網格。隨著來流速度的不同，柵格框內的流態會發生很大變化，復雜的激波與邊界層干涉，對流場特性有重大影響。為了保證數值模擬結果的準確性，單個柵格框內要保證一定密度的網格，從而導致整個柵格翼導彈的網格量比較大。在本文的數值模擬中，柵格翼導彈半模型結構網格點數為500萬，彈體附近垂直方向網格尺度為4×10－5m，柵格翼上垂直方向網格尺度為2×10－5m。

3計算結果與分析

我們以DREV風洞中進行大量試驗的柵格翼導彈外形為基礎，生成了點對點的多塊結構網格，并進行了不同馬赫數（Ma＝0．5到Ma＝3）流場特性的數值模擬研究。其中，我們將部分數值模擬結果與試驗數據進行了對比分析。圖5給出了Ma＝3、α＝2°狀態下殘值收斂曲線，從中看出殘值下降了6個量級，收斂性較好。圖6給出了圖5狀態下水平柵格翼表面壓力云圖。圖7給出了Ma＝3條件下法向力系數計算結果與試驗數據的比較。圖8給出了Ma＝3條件下俯仰力矩系數與試驗的比較。圖9給出了Ma＝0．5、1．15、1．5、3條件下軸向力系數與試驗的比較。圖10給出了法向力系數導數隨馬赫數變化與試驗結果的比較。通過對比分析，以結構網格為基礎，求解N－S方程得到的計算結果與試驗數據吻合較好，能夠比較準確的捕捉柵格翼導彈的流場特性。其中，法向力系數導數隨馬赫數變化規律與試驗結果一致，在亞聲速段與吻合較好，在跨聲速和超聲速段計算結果偏大。圖11和圖12給出了柵格翼內部流態隨馬赫數增大的變化。當來流馬赫數為Ma＝0．9時，在柵格翼通道后面形成了正激波，導致柵格翼升力減小阻力增加；當來流馬赫數為Ma＝1．5時，在柵格翼前出現脫體正激波，阻力急劇增大（如圖11所示），波后的氣流是亞聲速的，隨著來流速度的繼續增加，激波會向后移動貼在柵格翼的前緣上；當來流馬赫數達到2時，在柵格翼前緣出現斜激波，并且在相鄰柵格壁之間出現了反射，在靠近彈體壁面的柵格框內，由于受到壁面附面層的影響，前緣處形成的仍然是正激波；隨著來流速度的進一步加大，達到馬赫數3時，柵格翼前緣形成的斜激波不再落在相鄰的柵格壁上，柵格壁之間不再出現相互干涉，阻力也會隨之降低，氣動性能也有所提升。

4結論

本文通過多塊對接網格的方法，對柵格翼導彈這種復雜構型生成了點對點的結構網格。并以此為基礎，通過求解N－S方程對柵格翼導彈亞跨超聲速流場進行了數值模擬。通過與試驗結果的對比分析，本文數值模擬的結果在局部流場細節和柵格翼導彈氣動力方面與試驗數據吻合較好。說明本文采用的結構網格可靠合理，質量優良，能夠對柵格翼飛行器復雜流場進行比較精確的數值模擬，提供準確的氣動力數據，為工程應用評估提供了技術支撐。

作者：周培培單位：中國航天空氣動力技術研究院