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最近一二十年间,随着计算机技术和数值算法的发展,计算流体力学逐渐成为理论研究和试验研究之外的第三种可以信任的手段。目前,计算流体力学(CFD,ComputationalFluidDynamics)已经在很多工业领域给出满意的结果,其中包括航天航空领域。随着现代飞行器越来越复杂,特别是现代战斗机对机动性能的要求越来越高,一些新问题浮出水面。这些问题不仅仅局限于空气动力学领域,而涉及到弹性力学,刚体运动学等其他相关领域。
本文主要关心一类具有移动边界的问题。这类问题按照移动边界位置改变的特征可以分为两类。一类问题的移动边界上任意两点的相对位置始终保持不变,即边界做刚体运动。本文中主要考虑两个航空研究部门提出的实际型号问题:副油箱安全投放和潜射巡航导弹弹壳分离。另一类问题的移动边界上存在两点,他们的相对位置发生改变。通常情况下,边界的这种变形满足弹性规律,例如飞机机翼颤振问题。
以上两类问题的成功解决依赖于流体求解器,移动边界求解器(刚体运动求解器或弹性变形求解器)以及耦合算法,三者缺一不可。本文采用Fluent作为流体求解器,移动边界求解器采用C语言编写的子程序,并通过Fluent的UDF(UserDefinedFunction)功能和流体求解器按照弱耦合的方式进行连接,从而协调一致进行求解。
在弹壳分离算例中,通过若干算例验证了刚体运动求解程序的可靠性,初始状态采用不同的缝隙宽度的计算结果肯定了所采用物理模型的正确性。在此基础上,后续的计算均采用10mm作为初始缝隙宽度。
在安全投放边界的计算中,本文首先进行了定常和非定常两种计算。定常计算主要分析了计算网格,差分格式对计算结果的影响,副油箱对飞机气动性能的影响,以及飞机表面油流谱的分布。在非定常计算中,检验了所采用的挂架弹射模型,分析了计算时间步长对计算结果的影响,弹射模型中作用力持续时间对计算结果的影响。在分析定常和非定长计算结果的基础上确定了若干计算和模型参数,针对几种不同的飞行状态,进行了数值模拟并给出相应的设计建议。
在机翼颤振的计算中,针对一种模型机翼进行了模拟。虽然没有这种机翼的试验数据,数值模拟得到的若干结果,如临界马赫数等,和相似机翼的试验结果比较接近。这说明我们的算法是准确的。
论文共分四部分,详细介绍了基本理论和算法,计算机上的实现,结果分析和讨论,并在最后一部分中给出了部分程序代码。