基于N-S方程的大迎角分离流及翼型结冰数值模拟

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飞行器在做大迎角机动飞行时,流动会发生分离,而分离流的特性对飞行器的性能影响非常大。采用CFD的方法对这种流动及气动特性进行分析在飞行器设计中具有重要的意义。 为了研究结冰对翼型气动性能的影响,本文采用CFD的方法对NACA0012翼型前缘的结冰进行预测。在对结冰进行数值模拟时,结冰被当成一个准定常过程,即把冰看成是一层一层增长的,假定每一层内冰增长时流场是定常的。其基本步骤一般分三步:①计算物体的绕流流场;②求解水滴轨迹方程以确定极限水滴轨迹和收集系数;③根据冰增长模型来确定新的结冰翼型形状。当结冰达到一定的厚度时,根据新外形需要重新计算流场和水滴的运动轨迹,即以上三个步骤要迭代进行,直到达到所需要的结冰时间为止。 围绕以上几个方面,本文做了以下工作: 1.通过求解二维可压粘流时均N-S方程得到流场解。有机地结合法向外推方法和椭圆型偏微分方程方法生成了高质量的二维粘性结构网格。对基于中心有限体积法的二维Euler流场解算程序进行了人工粘性和时间推进格式等方面的改进,并添加B-L模型,使之成为二维N-S流场解算程序。采用虚拟网格简化了边界条件处理,避免了重复而繁琐的边界条件引入,有效地提高了工作效率,降低了编程难度。最后将二维N-S流场解算程序拓展到三维。 2.对ONERA M6机翼、细长旋成导弹体和大后掠三角翼的分离流进行了模拟。检验B-L模型对大迎角分离流动的模拟能力,取得了较好的计算结果。 3.根据牛顿第二定理,建立了水滴轨迹方程,将解N-S方程得到的流场解作为水滴轨迹方程的定解条件。采用经典的四阶龙格-库塔法对其求解,以确定水滴在翼面上的撞击区。 4.建立了对应于霜冰和光冰的两种冰增长模型。计算结果表明:霜冰模型的计算结果与文献计算结果和实验结果均吻合比很好;光冰模型同文献结果吻合较好,但均与实验有一定的差别。分析了网格数、空气液态水含量、水滴当量体积直径和冰层时间步长对模拟冰形的影响,此外还对结冰翼型的气动特性进行了简要的分析。
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