旋成体大迎角侧向力的控制方法计算研究

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1、第40卷第5期2010年9月航空计算技术AemT础ticalCompu““gTechniqueV01．40No．5S印．2010旋成体大迎角侧向力的控制方法计算研究于昆龙，叶正寅，张陈安(西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安7l0072)摘要：提出了运用充气气囊控制旋成体大迎角非对称分离涡的思路，并通过求解雷诺平均Navier．Stokes方程模拟了不同形状充气气囊作用下的流场，得到了充气气囊形状对旋成体侧向力的影响规律。计算结果表明充气气囊完全可以形成期望的流动干扰。为飞行器大迎角侧向力的

2、控制探索了一条新的途径。关键词：分离涡；大迎角；侧向力控制中图分类号：v211．3文献标识码：A文章编号：1671．654x(20lO)05．0001-04引言自从战斗机大迎角高机动能力的要求提出以来，围绕飞机头部大迎角非对称分离涡的基础研究工作一直没有间断过。随着对大迎角非对称流场的研究深入，现在已经清楚地理解了大迎角非对称气动力的产生机理，导致飞机大迎角非对称气动力的原因在于从飞机头部演化发展的非对称分离涡系¨J，而且飞机头部细小扰动的可能会导致飞机的非对称气动力完全反向，这就是双稳态分离涡系结构。然而，双稳态

3、气动力的不确定性会给飞机大迎角飞行造成极大的困扰，所以自上世纪80年代以来，如何控制大迎角分离涡的研究工作一直在继续。关于早期的控制技术在文献[2—3]中已经有比较全面的综述，总的来看，不同的措施有不同的问题和不同程度上的应用中的难操作性。其中，控制方法比较典型的技术有吹／吸气的方法【4山J、小型扰流片方法【_7。副和设置边条方法【9]。吹气方法基本上不改变飞机外形，但如果需要长时间控制分离涡的话，高压气源问题会增加飞机的不少负担。扰流片和设置边条的方法，在不需要它们控制分离涡时，会带来附加的阻力和不希望的气流扰动

4、。此外，上述各种方法多少要破环飞机头部的表面外形，这对增加雷达反射面积，给隐身性能带来不利因素。近年来，一种充气气囊技术在航空航天领域引起注意，目前，作者课题组已经将该方法试图应用于翼型的增升和降噪方面¨0

5、。根据充气气囊的变形方式，本文实现通过数值模拟的方法，探索运用气囊控制旋成体非对称分离涡的一种新技术，由于气囊形状可改变，需要研究不同充气气囊的外形对非对称分离涡的影响规律，进而研究运用充气气囊控制分离涡的可行性。实际上，CFD技术已经越来越多地探索新的物理现象和规律‘111。1流场模拟方法虽然旋成体的外形很规

6、则，但由于需要研究气囊的不同外形，本文在非结构网格基础上求解雷诺平均的NS方程，其可压流动的非定常NS方程积分形式为：jⅣ，号JIQ·d移+lF·露·ds=o(1)饥々靠其中：Q=[p，p“，∥，∥，e]T，p，Ⅱ，秽，彬，e分别为空气密度，名、y、z方向的速度分量和单位体积的总内能，以为积分边界的单位法向向量，y为流场积分域，dy为积分域的边界，F为通量项，包括无粘项R和粘性项E：F=F￡+，。(2)对于这些公式的具体表达式，可参见流体力学教科书。本文采用中心格式的有限体积法对方程(1)进行数值离散，结合S．A湍

7、流模型，采用SG。LUS隐式时间推进方法求解。具体方法可参见文献[12—13]。2计算结果与分析为了研究充气气囊对分离涡的影响作用和规律，本文计算的对象针对～旋成体，该旋成体的基本轮廓收稿日期：20lO．03一02修订日期：2010．05一12基金项目：国家自然科学基金项目资助(10872171)作者简介：于昆龙(1964一)，男，山东蓬莱人，研究员，博士研究生，研究方向为空气动力学、气动布局。·2·航空计算技术第40卷第5期取自YF一16风洞实验模型的头部外形，但因为该飞机头部并不是旋成体，所以进行了一定修改。图

8、1是本文计算的旋成体外形和表面网格。图2是充气气囊的几种外形，根据作者的计算序号分别为l、2、3号气囊。气囊的高度均为0．017D(D为旋成体等直段的直径)，只是尖锐程度有一定差别。气囊设置在旋成体头部的左侧，图3是1号气囊设置后的网格分布图。图4是带充气气囊的非结构混合网格剖面分布情况。图l旋成体基本外形和表面网格分布图2充气气囊的三种外形截面轮廓线图3带充气气囊的旋成体头部表面网格分布图4充气气囊剖面的非结构空间网格图计算中基于旋成体直径的雷诺数为3．37×105，由于本文的研究重点并不是在于计算的模拟精度，而

9、是关注气囊对分离涡的影响和不同气囊形状的影响差别，关心的是相对结果比较，所以总体空间网格控制在百万左右。图5是没有气囊条件下的旋成体侧向力与迎角的关心曲线，从计算结果看，在迎角20。以前，旋成体背风区的流动基本上是对称的。但20。以后，分离涡的非对称现象明显，而且侧向力会变号(由负变正)，随着非对称分离涡的增强，侧向力越来越大。图6是旋成体迎角70。时的空间