基于計算流體動力學的串列翼水陸兩棲飛機靜水面滑行過程

蔡宇峰, 王麗麗,2, 蔣 榮,2, 劉 濤,2, 徐永澤

(1.中國特種飛行器研究所,湖北 荊門 448035;2.高速水動力航空科學技術重點實驗室,湖北 荊門 448035;3.西遞安科軟件技術(上海)有限公司,上海 200120)

近年來,由于計算機行業的飛速發展和算法的不斷改進,原本用于航空航天領域的計算流體動力學(CFD)軟件在船舶、化工等領域中有了飛速發展,尤其在船舶領域[1-4]。串列翼水陸兩棲飛機(下文簡稱串列翼飛機)與船舶的水上性能研究,雖然有一定的相似性,但是也有很大的不同,主要體現在串列翼飛機的航速較高,產生了姿態角變化的大尺度運動。文獻[5-8]中采用數值計算方法對串列翼飛機的氣動性能進行研究,得到了串列翼與氣動阻力之間的關系。

與傳統的CFD軟件不同,STAR-CCM+軟件采用了最新的CFD技術,不同的功能模塊各自獨立創建,模塊間不必要的關聯降為最低,從而最大程度地避免了預料之外的計算結果。STAR-CCM+軟件致力于以下3個關鍵因素的研究[9-12]:①穩健并準確的數值算法;②覆蓋面寬廣的物理模型;③易于處理的網格體系。

利用STAR-CCM+軟件進行CFD計算的基本步驟如下所示:①建立計算模型及虛擬水池;②選擇物理模型;③創建監測變量以及可視化場景。本文基于以上步驟,對串列翼飛機靜水面滑行的CFD參數設置進行研究。

1 網格生成

本文基于串列翼飛機靜水面起飛前的滑水過程來說明STAR-CCM+軟件的完整應用過程,該過程構建了氣動卸載的單機身模型并模擬了水氣交混兩相流。

1.1 幾何外形構建

本文使用CATIA軟件構建串列翼飛機幾何外形。CATIA軟件與STAR-CCM+軟件的模型接口文件有3種類型,分別為stl、igs、 CATPart.將CATIA軟件建好的幾何模型導入STAR-CCM+軟件中。

串列翼飛機單機身試驗時,考慮到機翼升力的影響,通常采取在重心處添加卸載的方法,即根據試驗速度的不同,在機身重心處加上一定的卸載載荷。該載荷的計算表達式為

(1)

式中:m為串列翼飛機初始質量;v0為起飛速度,v0=15.7 m·s-1;vx為試驗滑行速度。

在數值計算過程中,為了與試驗保持一致,也在重心處添加一個卸載載荷,具體如圖1所示。圖1中,F為卸載力,其大小由式(1)確定。本文在數值計算時采用單機身模型。

圖1 卸載力示意圖(vx=2.93 m·s-1) Fig.1 Sketch map of unload force(vx=2.93 m·s-1)

1.2 虛擬水池創建

導入的幾何外形僅包含串列翼飛機的幾何外形,要進行水動力性能的預測分析,需要圍繞串列翼飛機來創建虛擬拖曳試驗池。由于飛機左右對稱,為減少計算量,因此采用飛機的一側進行計算。

在Geometry->Part中建立總長7.0L(L為機身長度)、寬2.5L、高4.0L的長方體,入口距離機身首部2L,出口距離機身尾部4L,上邊界、下邊界距離機身均為2L。

1.3 網格劃分

網格劃分有整體運動網格方案和重疊網格方案。

(1)整體運動網格方案

在初始姿態下,如自由液面位于網格加密區,就可取得良好的自由液面捕捉效果。串列翼飛機起飛過程中,姿態變化顯著。計算區域隨著串列翼飛機發生大幅度的縱傾與升沉變化,使得捕捉自由液面的網格與自由液面不能實現良好的位置匹配(見圖2),導致計算精度大幅降低。

圖2 自由液面網格(整體運動網格)Fig.2 Mesh of water surface(global mesh)

(2)重疊網格方案

將流場離散成隨串列翼飛機一起運動的運動區域以及模擬水池的固定不動的背景區域,2個區域之間的數據傳遞采用線性插值,從而保證了串列翼飛機發生大幅運動時捕捉自由液面的網格不發生移動,進而提高計算精度,如圖3、4所示。

圖3 自由液面網格(重疊網格)Fig.3 Mesh of water surface(overset mesh)

圖4 自由液面網格放大圖(重疊網格)Fig.4 Detailed water surface mesh(overset mesh)

鑒于起飛過程中串列翼飛機姿態角偏大的現象,采用重疊網格方案。

在串列翼飛機周圍建立一個小的Block,用布爾減運算在小的Block里面減去飛機,得到Overset,即重疊區域。

在STAR-CCM+的幾何模型中,大的Block代表虛擬水池Virtual Tank,Overset代表隨機身一起運動的重疊區域。

1.4 網格生成

在Geometry->Operations->Automated Mesh->Meshers中選擇Surface Remesher與Trimmed Cell Mesher 2種類型。在Default Controls與Custom Controls中設置參數,如表1、2所示。表2中,X向是指沿坐標系X軸的方向,Y向是指沿坐標系Y軸的方向,Overlap是指機身加密區,Kelvin是指機身產生興波的區域 。

表1 Default Controls的參數設置Tab.1 Parameter setting of Default Controls

表2 Custom Controls的參數設置Tab.2 Parameter setting of Custom Controls

1.5 網格質量檢查

在Mesh->Diagnostics中檢查網格質量,在Output窗口中檢查輸出的網格質量。當Volume Change在0～1.0×10-3范圍內變化時最好沒有網格,本文中這個范圍內變化的網格數目為零。

2 模型設置

2.1 物理模型

采用流體體積(VOF)方法對同一連續體內的2種流體(空氣和水)進行模擬。在Physics->Models里選擇如下模型:

(1)Eulerian Multiphase。串列翼飛機靜水面滑行狀態存在于不同相的2種流體中,故要激活歐拉多相流。

(2)Implicit Unsteady。針對具有水氣兩相流的計算,需要選擇非定常,本文不能選擇Steady。

(3)Gravity。考慮2種流體受到的重力作用,故要選擇重力模型。

(4)Turbulent。模擬串列翼飛機長距離的靜水面滑行運動,故采用湍流模型。

(5)VOF波。針對串列翼飛機靜水面滑行,設置一階平波,即無波浪面的靜水環境。在Vof Waves->Waves下創建FlatVofWave 1,在Properties中將Point On Water Level設置為(0,0,0),Current及Wind的參數設置為一致,如(14,0,0) m·s-1。

2.2 初始條件

在初始條件Initial Conditions中主要對Pressure、Velocity以及Volume Fraction進行設置。設置參數為:①Pressure->Hydrostatic Pressure of FlatVofWave 1;②Velocity->Velocity of FlatVofWave 1;③VolumeFraction->Composite->Water->Volume Fraction of Heavy Fluid of FlatVofWave 1;④VolumeFraction->Composite->Air->Volume Fraction of Light Fluid of FlatVofWave 1。

2.3 邊界條件

虛擬水池Virtual Tank有以下3種邊界類型:①將Y=0平面上邊界設為對稱邊界Symmetry Plane;②出口out為壓力出口,設為Pressure Outlet;③計算域其余4個面為速度入口,設為Velocity Inlet。

隨機身一起旋轉的小區域Overset有以下3種邊界類型:①機身表面是非滑移壁面,設為Wall;②與Virtual Tank重疊的邊界面為對稱邊界,設為Symmetry Plane;③Overset的其余5個邊界為重疊網格類型,設為Overset Mesh。

Virtual Tank與Overset之間采用線性交換的方式進行數據交換,即Interfaces->Overset Mesh 1->Physics Conditions->Interpolation Option選擇Linear。

3 可視化和數據分析

3.1 可視化流場

為隨時看到模型的運動狀態,創建了可視化場景,本文中用來監測自由液面和對稱面。

3.1.1VOF的可視化場景創建

(1)自由液面的等值面Isosurface創建。 右擊Derived Parts,選擇New Part->Isosurface;在彈出的Create Isosurface對話框中,Input Parts選擇Background、Overset,Scalar 選擇Volume Fraction of Water,Isovalue為0.5,在Display中選擇No Displayer。

(2)創建場景,顯示自由液面。右擊Scene,選擇New Scene->Scalar;將新創建的Scalar Scene1重命名為VOF;在VOF->Displayers->Scalar 1->Parts中選擇創建的Isosurface,在Scalar Field下面選擇Position[z];在VOF->Displayers下面新創建Scalar 2,在Scalar 2->Parts中選擇機身模型;選擇Scalar 1與Scalar 2的Transform,把其Property改為SYM,這樣就可以顯示整個機身以及自由液面。初始時刻流場如圖5所示。

圖5 初始時刻流場(vx=2.93 m·s-1)Fig.5 Flow field at initial time(vx=2.93 m·s-1)

3.1.2對稱面SYM的可視化場景創建

右擊Scene,選擇New Scene->Scalar;將新創建的Scalar Scene1重命名為SYM;在SYM->Displayers->Scalar 1->Parts中選擇2個對稱面,在Scalar Field下選擇Volume Fraction of Water;在SYM->Displayers下新創建Scalar 2,在Scalar 2->Parts中選擇機身模型;選擇Scalar 2的Transform,把其Property改為SYM,這樣就可以顯示整個機身。初始時刻對稱面如圖6所示。

圖6 初始時刻對稱面(vx=2.93 m·s-1)Fig.6 Symmetry plane at initial time(vx=2.93 m·s-1)

3.2 水動力性能監測曲線

串列翼飛機的阻力定義為在靜水中以恒定速度拖曳飛機所需的力。通常,設計串列翼飛機時應讓它以盡可能小的阻力在水中移動。現創建隨時間變化的阻力圖、縱傾圖以及升沉圖,以便從模擬中提取飛機的水動力性能。阻力可分為以下2個分量:壓差阻力和剪切阻力。

(1)創建阻力監測曲線

右擊Report->New Report->6-DOF Body Acceleration Surface Average,選擇Force;將新創建的Force1重命名為Total Drag;將Properties中的Direction設為(1,0,0),Force Option選擇Pressure+Shear,Parts選擇飛機模型。右擊Total Drag,選擇Create Monitor And Plot From Report,為阻力創建監測窗口。

(2)創建縱傾監測曲線

右擊Report->New Report->6-DOF Body Acceleration Surface Average,選擇6-DOF Body Orientation,將6-DOF Body Orientation 1改為Trim;將Properties中的Angle Report Option選擇為Rotation Y Axis;右擊Trim,選擇Create Monitor and Plot From Report,為縱傾創建監測窗口。

(3)創建升沉監測曲線

右擊Report->New Report->6-DOF Body Acceleration Surface Average,選擇6-DOF Body Translation,將6-DOF Body Translation 1改為Sinkage;將Properties中的Direction設為(0,0,1);右擊Sinkage,選擇Create Monitor And Plot From Report,為升沉創建監測窗口。

3.3 計算結果

圖7顯示了隨時間變化的總阻力。在模擬開始時總阻力出現了強烈的振蕩,隨著模擬的進行振蕩逐漸平穩,大約10 s后計算達到收斂狀態。

圖7 總阻力監測曲線(vx=2.93 m·s-1)Fig.7 Monitoring plot of total drag(vx=2.93 m·s-1)

圖8顯示了模型航速穩定時圍繞模型的波型。

圖8 穩定狀態流場(vx=2.93 m·s-1)Fig.8 Flow field at steady navigational speed(vx=2.93 m·s-1)

圖9在對稱平面上顯示了模型航速穩定時圍繞模型的自由液面細節。

圖9 穩定狀態對稱面(vx=2.93 m·s-1)Fig.9 Symmetry plane at steady navigational speed(vx=2.93 m·s-1)

4 結論

本文基于STAR-CCM+軟件對串列翼飛機的黏性流場進行了CFD參數設置研究,得到以下結論:

(1)基于STAR-CCM+軟件模擬串列翼飛機靜水面滑行狀態時,計算模型可以采用氣動卸載的方式來代替機翼的氣動升力。

(2)基于STAR-CCM+軟件的重疊網格方法可以有效地完成串列翼飛機靜水面滑行的仿真工作,驗證了重疊網格方法及VOF方法對求解三維流固耦合問題的有效性。

(3)STAR-CCM+軟件能很好地模擬串列翼飛機靜水面滑行的繞流流場,適用于固定拖曳,也適用于三自由度運動。

(4)本文方法可以用來預測串列翼飛機靜水面滑行狀態下的水動力性能,為串列翼飛機優化設計提供一定的技術支持。