基于FLUENT軟件的機翼二維繞流的非定常模擬分析

蔣蓓　江莉

摘 要：隨著航空飛行器的快速發展，空氣動力學的研究作用日益明顯，繞機翼流動的流體靜壓力，質量密度、馬赫數、氣流速度的大小，對提高飛行器飛行性能的提高有著重要作用。文章利用FLUENT軟件對繞機翼流動的非定常流體進行了詳細研究，得到了氣流在機翼上下表面上進行動能和壓力能之間的轉換且該轉換是機翼升力產生的主要來源的結論，結論與伯努利方程的結論相同，為機翼設計提供了可靠保障。

關鍵詞：機翼；繞流；非定常流體；FLUENT

中圖分類號：V211.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）23-0070-02

空氣動力學是流體力學的一個組成部分，主要研究當氣流作用在機翼上時，氣流與機翼之間相對運動情況，并分析在該狀態下，機翼的受力特性、氣流運動過程分析及其發展趨勢。研究空氣動力學對機翼形狀設計及性能的提高有重要意義。當氣流從正前方迎面流向機翼時，在機翼剖面前緣附近，氣流從駐點開始分為上、下兩股，對于上下弧面不對稱的機翼來說，由于機翼上表面拱起，則作用在機翼上表面的氣流流管變窄，流線變密，由連續方程分析得氣流流經機翼上表面時，氣流速度增大，靜壓減小；機翼下方形狀相對平緩，使下方流線疏密程度變化微小，流速變化小。氣流通過機翼后，在后緣又重新聚合在一起。這種機翼繞流現象是機翼升力和阻力的主要來源。則繞流運動參數-速度、壓力、溫度、密度等又會隨著時間的變化而變化。本文則利用FLUENT軟件對機翼進行建模，構建具體參數，對作用在機翼表面的繞流進行非定常狀態的模擬，得到機翼表面靜態壓力、馬赫數、來流質量密度以及速度矢量的分布情況，并對模擬結果進行分析。

1 建立基于FLUENT的二維機翼擾流模型

FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，在航空航天領域內有著廣泛的應用。對于機翼二維繞流的非定常模擬分析，更具有顯著優勢。機翼升力和阻力的大小，主要取決于機翼的剖面形狀和平面性轉。本文針對常用翼型NACA2 822作為研究對象，其外形如圖1所示。

2 網格劃分和模擬的初始化及模擬結果

機翼繞流是在機翼外部運動的非定常流場，流域邊界是遠離機翼的無窮遠處。而FLUENT軟件中的變形網格技術主要解決邊界運動的問題，在仿真過程中只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化由解算器自動生成。因此流域邊界應設在遠離翼弦長10倍以上。在進行模擬仿真前，先用Gambit軟件構建流場的幾何區域結構并生成網格，在此過程中，將整個流場分為1四個區，拓補結構如圖2所示。

機翼流場仿真區域規格及節點數，見表1。

FLUENT軟件中生成的機翼周圍三維網格圖，如圖3所示。

3 仿真結果分析

在模擬仿真前，進行參數設計，參數設計見表2。

3.1 機翼表面靜態壓力

機翼表面靜態壓力分布如圖4所示，翼型前緣駐點處，靜壓力為最大值，從機翼前緣到后緣，機翼上表面靜壓小，下表面靜壓大，壓力差方向向上。

3.2 翼型周圍馬赫數

翼型周圍馬赫數分布如圖5所示。馬赫數為流場中某點氣流的速度與該點的當地聲速之比，由圖5可知，機翼前緣上表面處馬赫數最大，該點處氣流速度最快，機翼上表面馬赫數大于機翼下表面馬赫數，機翼正前方氣流和機翼正后方氣流馬赫數較小，氣流速度相應較小。

3.3 機翼周圍來流質量密度

機翼周圍來流質量密度如圖6所示。在機翼前緣處，機翼周圍單位體積內空氣質量最大，機翼上表面靠近駐點處，相對下表面來說質量密度較小。

3.4 機翼周圍速度矢量

機翼周圍速度矢量分布如圖7所示。由圖可知，機翼上表面速度大，下表面速度小。

4 結 語

經FLUENT軟件對機翼繞流二維非定常流的分析結果可知，該模擬結構與伯努利方程在流體流動中的分析結果相同。模擬結果顯示當氣流流過機翼表面時，由于氣流方向和機翼所采用的翼型，氣流在機翼上下表面上靜態壓力、馬赫數、質量密度、氣流速度不同，結果表明流體中壓力能和動能之間在不斷發生轉變，在機翼表明形成不同的壓力分布，從而產生升力。

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