某型飛行器定常氣動力模擬研究

李智勞+李曉東+劉凡

摘 要：湍流是一種復雜的非穩態流動，在湍流中，流體的各種物理參數，如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發生隨機的變化，但這些量的統計平均值卻是有規律的。對于流速小于0.3馬赫的流場，可以視為不可壓縮流動。文章運用fluent軟件計算了某型飛行器的流場，給出了流場計算結果，為后續繼續研究氣動力及由此所引起的其他動力學問題打下了一定的基礎。

關鍵詞：湍流；不可壓縮；流場；氣動力

1 概述

計算流體力學的歷史雖然不長，但已廣泛深入到流體力學的各個領域，相應地也形成了多種不同的數值解法。就目前情況看， 主要是有限差分方法和有限元法。有限差分方法在流體力學中已得到比較廣泛應用。而有限元法是從求解固體力學問題發展而來的。近年來在處理低速流動問題中，已有相當多的應用。

早在20世紀初，有人就已經提出用數值方法來求解流體力學問題的思想。但是由于問題本身的復雜性和計算工具的落后，這一思想并未得到重視。自從電子計算機問世以來，用計算機進行數值仿真和計算才成為現實。1963年美國的哈洛和弗羅姆用計算機成功地模擬了二維長方形柱體的繞流問題并給出尾流渦街的形成以及演變過程，受到普遍重視。1965年，哈洛和弗羅姆在發表的關于流場計算的論文中介紹了計算機技術在流體力學中的作用。從此以后，計算機技術與流體力學的關系被人們普遍重視起來形成了計算流體力學（Computational Fluid Dynamics），簡稱CFD。

2 流體運動理論

2.1 流體運動的基本方程

在流體力學中可以將流體視為連續介質。

2.2 湍流流動的模擬

人們對于湍流的研究已經有很長的歷史，雖然經過很多科學家的研究取得了一定成果，但是對于湍流運動其本原理仍未完全掌握。

到目前為止，還沒有一個湍流模型能對所有的湍流運動給出滿意的結果。一種比較常用的模型只能對某一類湍流運動給出滿意的結果。為了求解能夠比較準確，選擇湍流模型的時候要注意以下幾點：流體的物理現象，模擬的精度要求，可用計算資源等。選擇湍流模型的時候，還要了解不同條件的適用范圍。湍流流動的模擬目前主要有三種方法：Reynolds（雷諾）時均方程方法，直接數值模擬，大渦模擬方法。

3 算例

3.1 建立模型

飛行器尺寸如圖1所示，流體域的長度為12m，寬度，高度均為3m。飛行器模型如圖2所示，流體域的模型如圖3所示，其中飛行器尾部距離流體域的最右段為7m，距離流體域的最左端距離為5m。圖4為模型的網格圖。

3.2 邊界條件的設置

對于低馬赫數的流動可以視為不可壓縮流動，所以采用速度進口邊界條件就可以滿足計算要求，FLUENT軟件穩態計算的相關設置如表1所示，瞬態計算的相關設置如表2所示。

3.3 流場的計算結果

先進行穩態計算，進行若干次循環后，流場穩定，開始進行瞬態計算。如圖5所示為飛行器表面靜壓分布圖，飛行器最大的靜壓分布在飛行器頭部，值大約為9.05×104MPa。飛行器表面流體流速分布如圖6所示，最大流速也位于飛行器頭部，值大約為115m/s。

4 結束語

本文運用FLUENT軟件提供的壓力基-隱式解法來求解低馬赫數的不可壓縮流動問題，得到了0.3馬赫時的流場分布。壓力基求解器是從原來的分離式求解器發展而來，它是按照順序求解動量方程，壓力基礎修正方程，能量方程和組分方程及其他標量方程。本文的研究對低速流動，比如汽車，高速列車等流場問題具有一定的工程意義。

參考文獻

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