对于飞行器地效飞行器周围流体场数值模拟小结
最后更新时间：2024-02-21
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论文导读：力分析和周围12下一页
摘要： 本文使用ansys fluent对二维机翼在近地（海）条件下受力分析，得出了飞行器在近地（海）状况变化不大条件下飞行器的受力分布、周围流体场的分布和在飞行器附近存在爆炸压力波情况下飞行器受力变化以及周围流体场的变化情况，可以为研究地效飞行器的研究人员在研究地效飞行器遇到爆炸等不稳定的近地（海）条件下飞行器额平稳性操作，平稳性设计提供一些理论上的基础。
Abstract： This paper used ansys fluent to make stress analysis to the II dimension wing in near-Earth （sea） conditions and got that the force distribution and the distribution of around fluid field under the situations with little change of near-Earth （sea） conditions and the force changes and the changes situation of around fluid field when existed explosion pressure we situation around the aircraft， which could provide some theoretical basis for the research personnel studying the ooth operation and design of the ground effect vehicles when it encountered explosion and other unstable situations.
关键词： 地效飞行器；近地（海）；爆炸冲击波；流体场变化；平稳性
Key words： wig craft；near-Earth （sea）；blast；fluid changes；oothness
1006-4311（2013）30-0297-02
0 引言
飞行器在近地（海）条件下飞行、降落或者起飞时，其气动特性与其在高空飞行时有明显的不同。在地（海）面存在的情况下（距离地（海）面比较近），飞行器周围的下洗场和流速受到改变，流速下降明显，使得飞行器上下表面的压力差变大，从而大大提升了升力，降低了诱导阻力，这种现象叫做地面效应。地效飞行器也运运而生。地效飞行器航速快，承载量大，隐形效果好，适航优异，安全性高，抗浪性好，成本相对低廉（据一些科学家估计，将来的地效飞行器航速可高达750km/h，载重数千吨，航程数千千米），在未来的军用和民用上都有非常好的应用前景，它有可能带来运输行业的一次重大变革。
但是由于近地（海）的状况变化较大，使得地效飞行器在飞行的时候其平稳型、安全性、操作性都有较大的难度。
针对以上问题，本文使用ansys fluent采用非结构贴体网格和标准k-epsilon（2eqn）模型对二维机翼在近地（海）条件下以及近地（海）受爆炸冲击波条件下进行受力分析和周围流体场分析。通过改变机翼的展弦比，来研究机翼在受到爆炸冲击波前后以及受到冲击波飞行器由远及近时机翼受到压力分布、压力大小变化。为地效飞行器的副翼、襟翼设计以及操作设计提供一个参考。
1 地效飞行器周围流体场数值模拟
数值计算：由于地效飞行器的升力主要是由于机翼引起的，而且机身产生升力的原因效果与机翼类似，研究方法也类似，本文在此将其简化为求解机翼周围流体场的变化情况。本文对机翼周围流体场的变化情况采用二维模拟的方法。在划分网格的时候采用了非结构贴体直角网格，适合粘性和湍流的计算。划分网格在机翼附近部分如下图1，图2所示。
计算模型为实际地效飞行器的类似机翼模型，采用对称机翼，双翼安装角为0度，在迎角为0度的条件下对机翼周围流体场变化进行数值模拟。理论基础：由于流动可以看做湍流，计算过程同时需要求解湍流方程，我们选择标准k-epsilon（2eqn）模型对二维机翼在近地（海）条件下以及近地（海）受爆炸冲击波条件下进行受力分析和周围论文导读：k-ε模型：选择ε作为第二个模型方程，ε方程是基于现象提出的而非推导得到的■+■=■？滋+■■+C■PK■-C■ρ■耗散率和k以及湍流长度尺度相关：？着～■结合k方程，涡粘系数可以表示为：？滋t=ρC？滋Lt■=ρC？滋■连续性方程：■+div（？籽■）=0动量方程：■+div（？籽u■）=div（？滋gradu）-■+S■■+div（？籽v■
流体场分析。标准k-ε模型：选择ε作为第二个模型方程，ε方程是基于现象提出的而非推导得到的
■+■=■？滋+■■+C■PK■-C■ρ■
耗散率和k 以及湍流长度尺度相关：？着～■
结合k 方程，涡粘系数可以表示为：？滋t=ρC？滋Lt■=ρC？滋■
连续性方程：■+div（？籽■）=0
动量方程：■+div（？籽u■）=div（？滋gradu）-■+S■
■+div（？籽v■）=div（？滋gradv）-■+S■
■+div（？籽w■）=div（？滋gradw）-■+S■
能量方程：■+div（？籽vT）=div■gradT+■
状态方程：？籽=f（p，T）
计算结果与结果分析：
地效飞行器一般是亚音速飞行，如果飞行高度足够低（比如飞行高度在2倍翼展之内的情况下），进入地效区后，迎风面下方的气流受到地面和飞行器底部两面的挤压，很难立即流向外侧，这就会使飞行器底部的压力增高，使升力增加，从而产生地面效应。
下面的图3图4（数值试验得到的结果）可以定性的模拟地面效应的基本原理（不同速度时速度分布可能不完全相同），图3不同颜色交接部分是压力等值线，图4不同颜色的交接部分是不同流速的交界处，由图4可以看出由于地面效应的存在，机翼下方的下洗气流流速相对于机翼上面的流速明显减慢，使得下部的压力较大的变大（由图3可以看出）。
我们采用波浪形地面来模拟水面的波纹或者近地的状况，流体马赫数为0.65的理想气体来模拟该数值实验。
由图5、图6可以清楚的看出在机翼不同地方的压力具体值分布。据此可以知道，在该对称机翼的前尖端受到的压力特别大，由图8可以看出此处产生的温度也是最高的，应该在设计机翼的时候在该部分要加强防护。对于升力而言，机翼的受到的压力随着向尾部推移压力逐渐变大，然后逐渐变小，大概在前三分之一处达到最大，在设计飞行器的时候机翼大约三分之一的与机身交接的地方应该加固。
2 结论
通过对类似地面效应飞行器的二维非结构贴体直角网格的粘性数值模拟，可得到以下结论：
①采用上述的数值计算方法和对地面边界条件的处理方法，可模拟二维机翼的地面效应，模拟结果反映了地面效应的基本原理和特性。
②机翼的不同部位受到的升力是不一样的，在设计飞行器的时候要注意加固。
③机翼的尖端受到的压力特别大，从而源于：大学生毕业论文www.7ctime.com
产生的温度比较高，在设计的时候要注意防护，或者采用耐高温的材料。
参考文献：
李盾，纪楚群，马汉东.三维非结构粘性直角网格的N-S方程数值模拟[R].北京：航天空气动力技术研究院，2004.
周常尧，高东华，华阳，刘振兴.地效飞行器的发展现状及军事应用前景[J].飞航导弹，2006，4.
[3]屈秋林，刘沛清，秦绪国.地效飞行器大迎角近地面飞行分离流动数值研究[J].航空学报，2007（01）.
摘要： 本文使用ansys fluent对二维机翼在近地（海）条件下受力分析，得出了飞行器在近地（海）状况变化不大条件下飞行器的受力分布、周围流体场的分布和在飞行器附近存在爆炸压力波情况下飞行器受力变化以及周围流体场的变化情况，可以为研究地效飞行器的研究人员在研究地效飞行器遇到爆炸等不稳定的近地（海）条件下飞行器额平稳性操作，平稳性设计提供一些理论上的基础。
Abstract： This paper used ansys fluent to make stress analysis to the II dimension wing in near-Earth （sea） conditions and got that the force distribution and the distribution of around fluid field under the situations with little change of near-Earth （sea） conditions and the force changes and the changes situation of around fluid field when existed explosion pressure we situation around the aircraft， which could provide some theoretical basis for the research personnel studying the ooth operation and design of the ground effect vehicles when it encountered explosion and other unstable situations.
关键词： 地效飞行器；近地（海）；爆炸冲击波；流体场变化；平稳性
Key words： wig craft；near-Earth （sea）；blast；fluid changes；oothness
1006-4311（2013）30-0297-02
0 引言
飞行器在近地（海）条件下飞行、降落或者起飞时，其气动特性与其在高空飞行时有明显的不同。在地（海）面存在的情况下（距离地（海）面比较近），飞行器周围的下洗场和流速受到改变，流速下降明显，使得飞行器上下表面的压力差变大，从而大大提升了升力，降低了诱导阻力，这种现象叫做地面效应。地效飞行器也运运而生。地效飞行器航速快，承载量大，隐形效果好，适航优异，安全性高，抗浪性好，成本相对低廉（据一些科学家估计，将来的地效飞行器航速可高达750km/h，载重数千吨，航程数千千米），在未来的军用和民用上都有非常好的应用前景，它有可能带来运输行业的一次重大变革。
但是由于近地（海）的状况变化较大，使得地效飞行器在飞行的时候其平稳型、安全性、操作性都有较大的难度。
针对以上问题，本文使用ansys fluent采用非结构贴体网格和标准k-epsilon（2eqn）模型对二维机翼在近地（海）条件下以及近地（海）受爆炸冲击波条件下进行受力分析和周围流体场分析。通过改变机翼的展弦比，来研究机翼在受到爆炸冲击波前后以及受到冲击波飞行器由远及近时机翼受到压力分布、压力大小变化。为地效飞行器的副翼、襟翼设计以及操作设计提供一个参考。
1 地效飞行器周围流体场数值模拟
数值计算：由于地效飞行器的升力主要是由于机翼引起的，而且机身产生升力的原因效果与机翼类似，研究方法也类似，本文在此将其简化为求解机翼周围流体场的变化情况。本文对机翼周围流体场的变化情况采用二维模拟的方法。在划分网格的时候采用了非结构贴体直角网格，适合粘性和湍流的计算。划分网格在机翼附近部分如下图1，图2所示。
计算模型为实际地效飞行器的类似机翼模型，采用对称机翼，双翼安装角为0度，在迎角为0度的条件下对机翼周围流体场变化进行数值模拟。理论基础：由于流动可以看做湍流，计算过程同时需要求解湍流方程，我们选择标准k-epsilon（2eqn）模型对二维机翼在近地（海）条件下以及近地（海）受爆炸冲击波条件下进行受力分析和周围论文导读：k-ε模型：选择ε作为第二个模型方程，ε方程是基于现象提出的而非推导得到的■+■=■？滋+■■+C■PK■-C■ρ■耗散率和k以及湍流长度尺度相关：？着～■结合k方程，涡粘系数可以表示为：？滋t=ρC？滋Lt■=ρC？滋■连续性方程：■+div（？籽■）=0动量方程：■+div（？籽u■）=div（？滋gradu）-■+S■■+div（？籽v■
流体场分析。标准k-ε模型：选择ε作为第二个模型方程，ε方程是基于现象提出的而非推导得到的
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耗散率和k 以及湍流长度尺度相关：？着～■
结合k 方程，涡粘系数可以表示为：？滋t=ρC？滋Lt■=ρC？滋■
连续性方程：■+div（？籽■）=0
动量方程：■+div（？籽u■）=div（？滋gradu）-■+S■
■+div（？籽v■）=div（？滋gradv）-■+S■
■+div（？籽w■）=div（？滋gradw）-■+S■
能量方程：■+div（？籽vT）=div■gradT+■
状态方程：？籽=f（p，T）
计算结果与结果分析：
地效飞行器一般是亚音速飞行，如果飞行高度足够低（比如飞行高度在2倍翼展之内的情况下），进入地效区后，迎风面下方的气流受到地面和飞行器底部两面的挤压，很难立即流向外侧，这就会使飞行器底部的压力增高，使升力增加，从而产生地面效应。
下面的图3图4（数值试验得到的结果）可以定性的模拟地面效应的基本原理（不同速度时速度分布可能不完全相同），图3不同颜色交接部分是压力等值线，图4不同颜色的交接部分是不同流速的交界处，由图4可以看出由于地面效应的存在，机翼下方的下洗气流流速相对于机翼上面的流速明显减慢，使得下部的压力较大的变大（由图3可以看出）。
我们采用波浪形地面来模拟水面的波纹或者近地的状况，流体马赫数为0.65的理想气体来模拟该数值实验。
由图5、图6可以清楚的看出在机翼不同地方的压力具体值分布。据此可以知道，在该对称机翼的前尖端受到的压力特别大，由图8可以看出此处产生的温度也是最高的，应该在设计机翼的时候在该部分要加强防护。对于升力而言，机翼的受到的压力随着向尾部推移压力逐渐变大，然后逐渐变小，大概在前三分之一处达到最大，在设计飞行器的时候机翼大约三分之一的与机身交接的地方应该加固。
2 结论
通过对类似地面效应飞行器的二维非结构贴体直角网格的粘性数值模拟，可得到以下结论：
①采用上述的数值计算方法和对地面边界条件的处理方法，可模拟二维机翼的地面效应，模拟结果反映了地面效应的基本原理和特性。
②机翼的不同部位受到的升力是不一样的，在设计飞行器的时候要注意加固。
③机翼的尖端受到的压力特别大，从而源于：大学生毕业论文www.7ctime.com
产生的温度比较高，在设计的时候要注意防护，或者采用耐高温的材料。
参考文献：
李盾，纪楚群，马汉东.三维非结构粘性直角网格的N-S方程数值模拟[R].北京：航天空气动力技术研究院，2004.
周常尧，高东华，华阳，刘振兴.地效飞行器的发展现状及军事应用前景[J].飞航导弹，2006，4.
[3]屈秋林，刘沛清，秦绪国.地效飞行器大迎角近地面飞行分离流动数值研究[J].航空学报，2007（01）.