地效对二维气动弹性特性的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014V01．35No82156—2162ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cahkxb@buaaeduCR地效对二维气动弹性特性的影响张斌，徐敏*，谢亮西北工业大学航天学院，陕西西安710072摘要：为研究地面效应对飞行器的气动弹性特性的影响，基于计算流体力学(CFD)，耦合求解结构动力学方程，建立了气动弹性求解系统。通过涡诱导的圆柱自由振荡算例和Isogai的二元气动弹性算例，

2、分别研究了地面效应对气动弹性动态响应和颤振边界的影响。研究结果表明：在地效作用下，涡街的对称性及发展受到影响，圆柱的动态响应幅值减小，频率增加，越靠近地面影响越显著；地效作用下，二维翼型在亚声速阶段的颤振速度下降，跨声速阶段，颤振边界凹坑范围扩大，颤振速度与激波位置密切相关。关键词：计算流体力学；气动弹性；地面效应；动态响应；颤振中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)08—2156—07地面效应是指飞行器在靠近地面或水面飞行时，使其升阻比增加的一种现象。飞机在起飞、降落过程中，飞行

3、高度很低，往往会受到地面效应的影响，气动特性较常规状态有很大改变，同时较低的飞行速度又使其处于操纵反区，此外还有突风等干扰，对飞机的稳定性、安全性提出了很大的挑战[1。2]。现代飞机气动弹性问题[3。43突出，有必要研究地面效应对飞机气动弹性特性的影响。地效飞行器是指利用地效实现高效飞行的飞行器¨j。地效飞行器长期处于地效影响之中，也会遇到气动弹性问题。过去的理论分析[6]认为，随着飞行器距离地面距离的降低，颤振速度也会相应降低；此外，还有一个很重要的问题就是系统的动态稳定性问题，在起飞或降落阶段，特定速度下，飞行器会出现

4、剧烈的振动响应，伴随着很强的动态弯矩和过载，强烈的振动会造成结构的疲劳，影响飞行器的使用寿命，严重情况下甚至会造成结构疲劳破坏。振动还会对控制系统造成很大的影响，对飞行器的安全性构成威胁，有必要进行弹性飞行器在地效作用下的动态响应问题研究。国内尚未见有考虑地面效应对飞行器气动弹性特性影响的研究。国外，仅见Nuhait和Mook[71计算了二维平板在地效作用下的颤振特性，该文使用二维非定常涡格法模拟非定常气动力，用镜像涡系模拟地面效应，之后耦合结构动力学方程，建立平板在地效作用下的气动弹性动力学系统，在时域使用基于预估校正的

5、迭代法推进求解系统动力学方程。计算结果显示地效具有使平板失稳的作用，越靠近地面，颤振速度越低。但该文并未涉及更具有实际意义的结构在地效作用下的气动弹性响应问题。鉴于此，本文建立了基于计算流体力学(CFD)的气动弹性求解系统。通过计算无地效情况下涡诱导的圆柱自由振荡响应以及二维翼型的颤振边界，验证所建立的气动弹性求解系统的正确性和精度，并以之为对照算例，引入地效，研究收稿日期：2013—10—16；退修日期：2013—11—19；录用日期：2013—12—23：网络出版时间：2014-01—2110：01网络出版地址：WWW

6、．cnki．net／kcms／detail／S1000．6893．2013．0504html*通讯作者Tel：029—88494614E-mail：xumin@nwpueducn5

7、角格式：Zhang8．xuM，XieL．Influenceontwodimensionalaeroelasticcharacteristicsingroundeffec《JI．ActaAeronauticaetAstro．nauticaSinica，2014，35(8)：2156-2162．张斌．徐敏．谢亮地效对二维气动弹性特性的影响￡∞航空学

8、报，2014，35(8)：2156—2162张斌等：地效对二维气动弹性特性的影响地效对二维动气动弹性问题的影响。1研究方法随着CFD的发展，时域分析已经成为当前研究结构动态响应的主流方法[8]。时域仿真能够考虑非线性气动力和非线性结构因素，更接近物理实际，并且还能获得非定常气动力、结构参数随时间的变化规律，这一点是频域分析不能做到的。为了求解结构在气动力作用下的动态响应，建立了基于CFD的气动弹性求解系统。1．1气动力模型直角坐标系下积分形式的三维可压缩非定常Navier—Stokes方程[91为未ⅢQdVq-妤F·ndS

9、一0(1)式中：Q为解向量；an为流体域n的外边界；n为边界的外法向量；V和S分别为流体域的体积和表面积；矢通量F为无黏通量和黏性通量两部分。引入完全气体状态方程封闭Navier—Stokes方程组。采用Roe格式离散无黏通量。耦合Spalart—Allmaras(S—A)湍流模型计算湍流黏性系数。时间