基于FLUENT軟件的機(jī)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(fā)展，空氣動力學(xué)的研究作用日益明顯，繞機(jī)翼流動的流體靜壓力，質(zhì)量密度、馬赫數(shù)、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(jī)翼流動的非定常流體進(jìn)行了詳細(xì)研究，得到了氣流在機(jī)翼上下表面上進(jìn)行動能和壓力能之間的轉(zhuǎn)換且該轉(zhuǎn)換是機(jī)翼升力產(chǎn)生的主要來源的結(jié)論，結(jié)論與伯努利方程的結(jié)論相同，為機(jī)翼設(shè)計(jì)提供了可靠保障。

關(guān)鍵詞：機(jī)翼；繞流；非定常流體；FLUENT

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

空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的一個組成部分，主要研究當(dāng)氣流作用在機(jī)翼上時，氣流與機(jī)翼之間相對運(yùn)動情況，并分析在該狀態(tài)下，機(jī)翼的受力特性、氣流運(yùn)動過程分析及其發(fā)展趨勢。研究空氣動力學(xué)對機(jī)翼形狀設(shè)計(jì)及性能的提高有重要意義。當(dāng)氣流從正前方迎面流向機(jī)翼時，在機(jī)翼剖面前緣附近，氣流從駐點(diǎn)開始分為上、下兩股，對于上下弧面不對稱的機(jī)翼來說，由于機(jī)翼上表面拱起，則作用在機(jī)翼上表面的氣流流管變窄，流線變密，由連續(xù)方程分析得氣流流經(jīng)機(jī)翼上表面時，氣流速度增大，靜壓減??；機(jī)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(jī)翼后，在后緣又重新聚合在一起。這種機(jī)翼繞流現(xiàn)象是機(jī)翼升力和阻力的主要來源。則繞流運(yùn)動參數(shù)-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(jī)翼進(jìn)行建模，構(gòu)建具體參數(shù)，對作用在機(jī)翼表面的繞流進(jìn)行非定常狀態(tài)的模擬，得到機(jī)翼表面靜態(tài)壓力、馬赫數(shù)、來流質(zhì)量密度以及速度矢量的分布情況，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

1 建立基于FLUENT的二維機(jī)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(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。對于機(jī)翼二維繞流的非定常模擬分析，更具有顯著優(yōu)勢。機(jī)翼升力和阻力的大小，主要取決于機(jī)翼的剖面形狀和平面性轉(zhuǎn)。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(wǎng)格劃分和模擬的初始化及模擬結(jié)果

機(jī)翼繞流是在機(jī)翼外部運(yùn)動的非定常流場，流域邊界是遠(yuǎn)離機(jī)翼的無窮遠(yuǎn)處。而FLUENT軟件中的變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動的問題，在仿真過程中只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化由解算器自動生成。因此流域邊界應(yīng)設(shè)在遠(yuǎn)離翼弦長10倍以上。在進(jìn)行模擬仿真前，先用Gambit軟件構(gòu)建流場的幾何區(qū)域結(jié)構(gòu)并生成網(wǎng)格，在此過程中，將整個流場分為1四個區(qū)，拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

機(jī)翼流場仿真區(qū)域規(guī)格及節(jié)點(diǎn)數(shù)，見表1。

FLUENT軟件中生成的機(jī)翼周圍三維網(wǎng)格圖，如圖3所示。

3 仿真結(jié)果分析

在模擬仿真前，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

3.1 機(jī)翼表面靜態(tài)壓力

機(jī)翼表面靜態(tài)壓力分布如圖4所示，翼型前緣駐點(diǎn)處，靜壓力為最大值，從機(jī)翼前緣到后緣，機(jī)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(shù)

翼型周圍馬赫數(shù)分布如圖5所示。馬赫數(shù)為流場中某點(diǎn)氣流的速度與該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀僦龋蓤D5可知，機(jī)翼前緣上表面處馬赫數(shù)最大，該點(diǎn)處氣流速度最快，機(jī)翼上表面馬赫數(shù)大于機(jī)翼下表面馬赫數(shù)，機(jī)翼正前方氣流和機(jī)翼正后方氣流馬赫數(shù)較小，氣流速度相應(yīng)較小。

3.3 機(jī)翼周圍來流質(zhì)量密度

機(jī)翼周圍來流質(zhì)量密度如圖6所示。在機(jī)翼前緣處，機(jī)翼周圍單位體積內(nèi)空氣質(zhì)量最大，機(jī)翼上表面靠近駐點(diǎn)處，相對下表面來說質(zhì)量密度較小。

3.4 機(jī)翼周圍速度矢量

機(jī)翼周圍速度矢量分布如圖7所示。由圖可知，機(jī)翼上表面速度大，下表面速度小。

4 結(jié) 語

經(jīng)FLUENT軟件對機(jī)翼繞流二維非定常流的分析結(jié)果可知，該模擬結(jié)構(gòu)與伯努利方程在流體流動中的分析結(jié)果相同。模擬結(jié)果顯示當(dāng)氣流流過機(jī)翼表面時，由于氣流方向和機(jī)翼所采用的翼型，氣流在機(jī)翼上下表面上靜態(tài)壓力、馬赫數(shù)、質(zhì)量密度、氣流速度不同，結(jié)果表明流體中壓力能和動能之間在不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，在機(jī)翼表明形成不同的壓力分布，從而產(chǎn)生升力。

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