利用CFD计算技术进行机翼模型气动特性分析

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1、第40卷第1期2010年1月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．1Jan．2010利用CFD计算技术进行机翼模型气动特性分析白瑜光1，孙东科2，林家浩1(1．大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室，大连116023；2．VestasTechnologyUK，MonksBrook，StCross，BusinessPark，Newport，I．0．W，P0305WZ，UK)摘要：计算流体动力学方法(CFD)已经成为空气动力学领域重要的计算方法。利用该

2、方法进行机翼模型Naca0012的数值模拟，包括计算模型的气动力系数以及气动导数。采用了效果很好的新型网格控制算法，通过自有程序处理流固耦舍边界问题以及商用软件的求解器模块进行整体区域的数值计算。在证明了方法的有效性之后，又通过多种振幅条件下的数值模拟结果，对以往广泛采用的理论方法的有效性进行了探讨，研究了机翼模型气动导数随振幅变化而变化的情况。’关键词：CFD；网格算法；气动导数；理论方法有效性中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)01-0021—04引言从上世纪初，人们就开始对

3、结构的气动弹性过程进行有目的的研究，学者Theodorsen等空气动力学先驱基于对二维振动平板的非定常气动力的研究，得到了第一批用来发展理论基础的理论公式。1935年Theodorsen发表了著名的薄翼在非压缩流中的非定常气动力表达式，即Theodorsen函数⋯。这个表达式一直在航空动力学领域沿用至今。Theodorsen气动力理论适用于二维无限长薄翼(理想平板)结构，是采用片条理论求解结构由简谐振动引起的非定常气动力的基础。随着上世纪末期以及本世纪初计算流体动力学(CFD)的兴起，越来越多的学者开始采用数值方法来研究

4、结构的气动特性。其中比较著名的是nal'sen的discretevortex方法口J，此外还有Sun等的分块迭代(block—iterative)方法旧J。Naca0012机翼模型是一种经典的飞机机翼模型，LeMaitre等M1曾利用数值方法对该模型进行了不同Re数条件下的模拟，以及对其0。攻角条件下的气动挣陛分析，取得了一定进展。本文利用作者的网格控制算法建立了Naca0012模型的流场一结构模型，在自主研制的小型并行计算集群上进行了多种条件下该模型的气动特性分析。首先，计算了多攻角下机翼模型的气动力系数，并与理论值进

5、行对比，取得了较好结果；然后计算小振幅条件下机翼模型的气动导数，并与Theodorsen平板理论值进行对比；最后，通过计算多种振幅条件下机翼模型的气动导数，探讨理论值的有效性以及研究气动导数随振幅变化而变化的情况。1机翼模型以及网格控制算法介绍1．1机翼模型几何尺寸Naca0012机翼模型的几何尺寸如图1：图1Naca0012机翼模型截面图(单位：m)其中模型的弦长B=2nl，厚度Z=0．1m。1．2网格控制算法及计算网格本文采用的网格算法是作者提出的block—itera．tivecoupling方法‘3

6、，下面以最简

7、单的图形圆柱形来说明一下基本的方法：Z图2基于刚性平面假定的圆柱的网格示意图以整个区域的的圆心为出发点，距离圆心的距离收稿日期：2009·08—17基金项目：国家自然科学基金资助项目(2002030)作者简介：白瑜光(1981一)，男，辽宁大连人，博士研究生，研究方向为专业方向计算力学。航空计算技术第40卷第1期为R，将计算区域分为两个区域，如图2所示，根据不同区域的尺的特点，采用公式如(1)、(2)。fX。=工，0+zXJo+z(尺≤尺1)k¨等(rx训(卧尺≤RTX,o：)(1){瓯5工m+瓦}二面+工)(R-<尺≤

8、z)(1)‘Lx，=T,x，(R>R2)手=E工，(2)『．c。s晚一sin以0]其中，R=sqrt(z毛+y五)，T=IsinO；COSOz0L-o1j工，和X由是结构的初始网格坐标和计算更新后的坐标。疋和0是梁剪切中心的响应；孝是更新网格坐标。E是结构和流体的坐标变换矩阵。在此方法基础上，在网格生成范畴内，本文对于R。≤R≤R：区域内，划分inlet区以及wake区，如图3，网格较为稀疏的即为inlet区，网格较为稠密的即为wake区，这样做的目的是对流体特征比较明显的模型尾部流场区域进行更好的模拟，整体的区域几何形

9、状分割图如图4。本文所采用的网格控制算法的详细内容，可以参考本文作者文章[^]。本文计算程序采用在大连理工大学动力分析软件程序DDJ．W基础上开发的程序处理流同耦合边界问题，并且在求解器上采用了商业软件ANSYS．CFX的solver模块，联合进行CFD计算。图3Naca0012机翼模型图4网格区域几何网格示意图形状