低雷諾數(shù)非定常流場的數(shù)值方法及其在微型飛行器上的應(yīng)用.pdf

1、微型飛行器因尺寸小、重量輕、隱蔽性好等特點而具有良好的應(yīng)用前景，其概念一經(jīng)提出即迅速成為科學(xué)界當(dāng)前研究的前沿和熱點課題。微型飛行器不是常規(guī)飛行器的簡單縮小，其尺寸的微型化帶來許多亟待解決的難題，低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)即為其中最為重要和最為關(guān)鍵的問題之一。本文的主要內(nèi)容是固定翼/撲翼低雷諾數(shù)氣動特性的數(shù)值和試驗研究，包括非定常低雷諾數(shù)流場的數(shù)值計算方法、動態(tài)網(wǎng)格生成、固定翼/撲翼低雷諾數(shù)流場機理等研究內(nèi)容。
　　 傳統(tǒng)可壓縮流計算方法

2、用于求解低速流場時會面臨收斂慢、精度低的“剛性”問題，因此，本文將預(yù)處理技術(shù)拓展到非定?？蓧嚎sN-S方程的求解中，發(fā)展了一種能有效模擬含運動邊界的三維非定常低雷諾數(shù)流場的數(shù)值方法?？刂品匠淘诜墙Y(jié)構(gòu)動態(tài)網(wǎng)格上用雙時間步推進并用無矩陣計算的隱式LU-SGS迭代求解；由于預(yù)處理改變了控制方程的特征值和特征向量，也提出了一種特征變量的邊界條件以適合預(yù)處理后的特征系統(tǒng)。眾多典型算例的結(jié)果表明，預(yù)處理方法將可壓縮流方法的計算能力拓展到了低馬赫數(shù)范圍

3、，有效地提高了收斂速度和計算精度。
　　 對運動邊界問題，動態(tài)網(wǎng)格生成是其非定常流場計算的一項重要工作?；贒elaunay圖映射的動態(tài)網(wǎng)格變形方法無需迭代計算，效率高，穩(wěn)定性好。但對大幅運動復(fù)雜構(gòu)形的動邊界問題，背景圖容易交叉，重新生成背景圖和重新定位網(wǎng)格點不僅費時而且會導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量的嚴(yán)重下降。本文提出一種雙重Delaunay圖映射的動網(wǎng)格生成方法，通過在初始背景圖中添加輔助點，生成虛實兩種背景圖和虛實兩種映射關(guān)系。分別根據(jù)虛

4、映射關(guān)系和虛背景圖、實映射關(guān)系和實背景圖，移動輔助點和網(wǎng)格點。復(fù)雜構(gòu)形的撲翼算例表明，雙重圖映射方法多付出極少的內(nèi)存代價即可避免背景圖交叉引起的問題，提高了動網(wǎng)格生成的效率和質(zhì)量，增強了處理大變形復(fù)雜動邊界問題的強健性。
　　 本文也發(fā)展了一種非結(jié)構(gòu)嵌套網(wǎng)格方法，并提出一種將Delaunay圖映射網(wǎng)格變形技術(shù)和非結(jié)構(gòu)嵌套網(wǎng)格方法結(jié)合使用的策略，解決網(wǎng)格變形和嵌套網(wǎng)格單獨用于柔性撲翼流場計算時需要網(wǎng)格再生的問題。該方法為嵌套網(wǎng)格中

5、的每個嵌于背景網(wǎng)格的貼體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成Delaunay背景圖；每個時間步，根據(jù)壁面的運動和變形規(guī)律移動背景圖，再根據(jù)網(wǎng)格點和背景圖的映射關(guān)系移動網(wǎng)格點，之后自動完成嵌套邊界的定義和插值關(guān)系的建立。為方便嵌套關(guān)系的建立，嵌套網(wǎng)格進行分層管理。也研究了一種內(nèi)存消耗少、效率較高的搜索算法，以及格心格式和格點格式統(tǒng)一的邊界拓寬算法。
　　 數(shù)值模擬了小展弦比固定翼微型飛行器的低雷諾數(shù)流場，考察了小展弦比機翼在低雷諾數(shù)條件下的升阻力特性、

6、流場流動機理，分析了翼尖渦和翼梢小翼對氣動特性的影響，并對大攻角下流場的非定?，F(xiàn)象進行了相關(guān)的討論。數(shù)值研究的結(jié)果表明，低雷諾數(shù)小展弦比機翼的流場具有較復(fù)雜的三維效應(yīng)，翼尖渦的存在對流場結(jié)構(gòu)和升力、阻力的產(chǎn)生都有重要影響，渦的脫落和相互作用使得流場在大攻角下具有一定的非定常特征。
　　 建立了適當(dāng)?shù)娜S仿鳥柔性撲翼模型，并以配平重力和平衡阻力為條件，數(shù)值計算了它的低雷諾數(shù)非定常流場，研究分析了仿鳥撲翼的流場渦結(jié)構(gòu)、升力推力產(chǎn)生機

7、制和氣動功率。研究了二維柔性撲翼在不同斯德魯哈爾數(shù)下的推力特性以及流場尾渦的分布特點。研究認(rèn)為，撲翼平面的初始扭轉(zhuǎn)程度、撲翼柔性材料的選擇以及兩者之間的合理搭配對撲翼機的成功飛行至關(guān)重要；下?lián)溥^程附著上翼面的前緣渦是升力產(chǎn)生的重要機制。數(shù)值研究了二維前后置雙撲動翼的非定常流場，考察了前后翼撲動的相位差、水平距離、頻率和攻角等參數(shù)對其氣動力和氣動效率的影響，并對前后翼之間存在的氣動干擾進行了分析。
　　 蜻蜓能通過改變前后翼間的相

8、位實現(xiàn)對不同飛行姿態(tài)的控制。本文數(shù)值模擬了三維蜻蜓模型在懸停(前進比J＝0)和中等前飛速度(J=0.3)兩種狀態(tài)下的流場，每種狀態(tài)各計算從0o至360o間隔30o的13個不同相位。考察氣動力和氣動功率隨相位的變化關(guān)系以及前后翼間的氣動干擾，也分析了流場渦結(jié)構(gòu)和氣動力的產(chǎn)生機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均舉力和平均氣動功率隨相位的變化呈U型分布，舉力足夠用于平衡重力，氣動功率也符合蜻蜓真實飛行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。90o～270o的較寬相位范圍內(nèi)，兩翼間的氣動