均匀时变来流对流体动力和力矩的影响研究

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来流对飞艇、仿生飞行器、潜航器和离岸平台等物体的流体动力和力矩有巨大影响。研究运动体相对速度相同时流体动力的转换关系将大大减少流体动力分析时的计算次数;也为利用相对运动原理简化水洞、风洞实验设备和CFD避免使用动网格提供理论基础。传统相对运动原理和时变来流对流体动力影响的研究结果多是基于无粘流假设给出,其严格系统地证明并不多见。本研究将基于有粘流理论分析均匀时变来流对流体动力和力矩的影响,得到相同空速下运动体流体动力和力矩的转换关系,即均匀时变来流情况下的相对运动原理。首先通过引入虚拟的中间流场将有来流场和无来流场关联在一起并进行比较,基于涡量传输方程推导得到有来流场和无来流场中涡量、速度和质点加速度分布的转换关系。此转换关系将有来流场参数分解为无来流场对应部分以及与来流相关的部分。由于两流场中压力不方便进行比较,因此在涡量矩定理的基础上提出了一种新的流体动力和力矩表达式。该表达式只需要流场速度和涡量便可进行计算,并可以方便利地用流场参数分解特性进行流体动力和力矩的对比。最终在流场参数转换关系的基础上通过该表达式得到了均匀时变来流中流体动力和力矩的转换关系,该结果同时适用于有粘流和无粘流。为了验证流体动力和力矩转换关系的正确性,将本研究所得结论与现有无粘流理论结果进行了对比并选择NACA0012翼型为研究对象进行算例验证。首先通过比较发现,本研究所得的相对运动原理不仅在运动体无旋转时兼容于现有无粘流理论,还适用于运动体有旋转的情况。本研究所得的力矩转换关系力矩参考点可任意选取,较现有理论更具一般性。其次在无粘流算例验证中,利用自编的面元法验证了质点加速度线性叠加关系、流体动力转换关系的正确性;在来流非定常时,通过理论分析和数值计算结合的方法验证了流体动力和力矩转换关系的正确性。最后在有粘流算例验证中,CFD仿真结果显示来流均匀时变情况下两流场各质点处速度、涡量和加速度分布符合流场参数转换关系;两流场流体动力和力矩的差值与本研究结论计算所得理论值吻合较为良。
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