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(yè)的飛速發(fā)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(fā)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(xiàn)在串列翼飛機的航速較高,產(chǎn)生了姿態(tài)角變化的大尺度運動。文獻[5-8]中采用數(shù)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(tǒng)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(chuàng)建,模塊間不必要的關聯(lián)降為最低,從而最大程度地避免了預料之外的計算結(jié)果。STAR-CCM+軟件致力于以下3個關鍵因素的研究[9-12]:①穩(wěn)健并準確的數(shù)值算法;②覆蓋面寬廣的物理模型;③易于處理的網(wǎng)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(chuàng)建監(jiān)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(shù)設置進行研究。

1 網(wǎng)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(gòu)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(gòu)建

本文使用CATIA軟件構(gòu)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(jù)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(zhì)量;v0為起飛速度,v0=15.7 m·s-1;vx為試驗滑行速度。

在數(shù)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(shù)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(chuàng)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(chuàng)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(cè)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(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分有整體運動網(wǎng)格方案和重疊網(wǎng)格方案。

(1)整體運動網(wǎng)格方案

在初始姿態(tài)下,如自由液面位于網(wǎng)格加密區(qū),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(tài)變化顯著。計算區(qū)域隨著串列翼飛機發(fā)生大幅度的縱傾與升沉變化,使得捕捉自由液面的網(wǎng)格與自由液面不能實現(xiàn)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(wǎng)格(整體運動網(wǎng)格)Fig.2 Mesh of water surface(global mesh)

(2)重疊網(wǎng)格方案

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

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

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

鑒于起飛過程中串列翼飛機姿態(tài)角偏大的現(xiàn)象,采用重疊網(wǎng)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(qū)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(qū)域。

1.4 網(wǎng)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(shù),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(qū),Kelvin是指機身產(chǎn)生興波的區(qū)域 。

表1 Default Controls的參數(shù)設置Tab.1 Parameter setting of Default Controls

表2 Custom Controls的參數(shù)設置Tab.2 Parameter setting of Custom Controls

1.5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

在Mesh->Diagnostics中檢查網(wǎng)格質(zhì)量,在Output窗口中檢查輸出的網(wǎng)格質(zhì)量。當Volume Change在0～1.0×10-3范圍內(nèi)變化時最好沒有網(wǎng)格,本文中這個范圍內(nèi)變化的網(wǎng)格數(shù)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(xù)體內(nèi)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(tài)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?？紤]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(huán)境。在Vof Waves->Waves下創(chuàng)建FlatVofWave 1,在Properties中將Point On Water Level設置為(0,0,0),Current及Wind的參數(shù)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(shù)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(zhuǎn)的小區(qū)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(wǎng)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(shù)據(jù)交換,即Interfaces->Overset Mesh 1->Physics Conditions->Interpolation Option選擇Linear。

3 可視化和數(shù)據(jù)分析

3.1 可視化流場

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

3.1.1VOF的可視化場景創(chuàng)建

(1)自由液面的等值面Isosurface創(chuàng)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(chuàng)建場景,顯示自由液面。右擊Scene,選擇New Scene->Scalar;將新創(chuàng)建的Scalar Scene1重命名為VOF;在VOF->Displayers->Scalar 1->Parts中選擇創(chuàng)建的Isosurface,在Scalar Field下面選擇Position[z];在VOF->Displayers下面新創(chuàng)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(chuàng)建

右擊Scene,選擇New Scene->Scalar;將新創(chuàng)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(chuàng)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(jiān)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?，F(xiàn)創(chuàng)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(chuàng)建阻力監(jiān)測曲線

右擊Report->New Report->6-DOF Body Acceleration Surface Average,選擇Force;將新創(chuàng)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(chuàng)建監(jiān)測窗口。

(2)創(chuàng)建縱傾監(jiān)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(chuàng)建監(jiān)測窗口。

(3)創(chuàng)建升沉監(jiān)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(chuàng)建監(jiān)測窗口。

3.3 計算結(jié)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(xiàn)了強烈的振蕩,隨著模擬的進行振蕩逐漸平穩(wěn),大約10 s后計算達到收斂狀態(tài)。

圖7 總阻力監(jiān)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(wěn)定時圍繞模型的波型。

圖8 穩(wěn)定狀態(tài)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(wěn)定時圍繞模型的自由液面細節(jié)。

圖9 穩(wěn)定狀態(tài)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(jié)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(shù)設置研究,得到以下結(jié)論:

(1)基于STAR-CCM+軟件模擬串列翼飛機靜水面滑行狀態(tài)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(wǎng)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(wǎng)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(tài)下的水動力性能,為串列翼飛機優(yōu)化設計提供一定的技術支持。