某型飞行器定常气动力模拟研究

李智劳+李晓东+刘凡

摘 要：湍流是一种复杂的非稳态流动，在湍流中，流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化，但这些量的统计平均值却是有规律的。对于流速小于0.3马赫的流场，可以视为不可压缩流动。文章运用fluent软件计算了某型飞行器的流场，给出了流场计算结果，为后续继续研究气动力及由此所引起的其他动力学问题打下了一定的基础。

关键词：湍流；不可压缩；流场；气动力

1 概述

计算流体力学的历史虽然不长，但已广泛深入到流体力学的各个领域，相应地也形成了多种不同的数值解法。就目前情况看， 主要是有限差分方法和有限元法。有限差分方法在流体力学中已得到比较广泛应用。而有限元法是从求解固体力学问题发展而来的。近年来在处理低速流动问题中，已有相当多的应用。

早在20世纪初，有人就已经提出用数值方法来求解流体力学问题的思想。但是由于问题本身的复杂性和计算工具的落后，这一思想并未得到重视。自从电子计算机问世以来，用计算机进行数值仿真和计算才成为现实。1963年美国的哈洛和弗罗姆用计算机成功地模拟了二维长方形柱体的绕流问题并给出尾流涡街的形成以及演变过程，受到普遍重视。1965年，哈洛和弗罗姆在发表的关于流场计算的论文中介绍了计算机技术在流体力学中的作用。从此以后，计算机技术与流体力学的关系被人们普遍重视起来形成了计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），简称CFD。

2 流体运动理论

2.1 流体运动的基本方程

在流体力学中可以将流体视为連续介质。

2.2 湍流流动的模拟

人们对于湍流的研究已经有很长的历史，虽然经过很多科学家的研究取得了一定成果，但是对于湍流运动其本原理仍未完全掌握。

到目前为止，还没有一个湍流模型能对所有的湍流运动给出满意的结果。一种比较常用的模型只能对某一类湍流运动给出满意的结果。为了求解能够比较准确，选择湍流模型的时候要注意以下几点：流体的物理现象，模拟的精度要求，可用计算资源等。选择湍流模型的时候，还要了解不同条件的适用范围。湍流流动的模拟目前主要有三种方法：Reynolds（雷诺）时均方程方法，直接数值模拟，大涡模拟方法。

3 算例

3.1 建立模型

飞行器尺寸如图1所示，流体域的长度为12m，宽度，高度均为3m。飞行器模型如图2所示，流体域的模型如图3所示，其中飞行器尾部距离流体域的最右段为7m，距离流体域的最左端距离为5m。图4为模型的网格图。

3.2 边界条件的设置

对于低马赫数的流动可以视为不可压缩流动，所以采用速度进口边界条件就可以满足计算要求，FLUENT软件稳态计算的相关设置如表1所示，瞬态计算的相关设置如表2所示。

3.3 流场的计算结果

先进行稳态计算，进行若干次循环后，流场稳定，开始进行瞬态计算。如图5所示为飞行器表面静压分布图，飞行器最大的静压分布在飞行器头部，值大约为9.05×104MPa。飞行器表面流体流速分布如图6所示，最大流速也位于飞行器头部，值大约为115m/s。

4 结束语

本文运用FLUENT软件提供的压力基-隐式解法来求解低马赫数的不可压缩流动问题，得到了0.3马赫时的流场分布。压力基求解器是从原来的分离式求解器发展而来，它是按照顺序求解动量方程，压力基础修正方程，能量方程和组分方程及其他标量方程。本文的研究对低速流动，比如汽车，高速列车等流场问题具有一定的工程意义。

参考文献

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