低雷諾數(shù)非定常流場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)課題。微型飛行器不是常規(guī)飛行器的簡(jiǎn)單縮小，其尺寸的微型化帶來(lái)許多亟待解決的難題，低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)即為其中最為重要和最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。本文的主要內(nèi)容是固定翼/撲翼低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性的數(shù)值和試驗(yàn)研究，包括非定常低雷諾數(shù)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法、動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成、固定翼/撲翼低雷諾數(shù)流場(chǎng)機(jī)理等研究?jī)?nèi)容。
　　 傳統(tǒng)可壓縮流計(jì)算方法

2、用于求解低速流場(chǎng)時(shí)會(huì)面臨收斂慢、精度低的“剛性”問(wèn)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(yùn)動(dòng)邊界的三維非定常低雷諾數(shù)流場(chǎng)的數(shù)值方法?？刂品匠淘诜墙Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格上用雙時(shí)間步推進(jìn)并用無(wú)矩陣計(jì)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(jì)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(jì)算精度。
　　 對(duì)運(yùn)動(dòng)邊界問(wèn)題，動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成是其非定常流場(chǎng)計(jì)算的一項(xiàng)重要工作?；贒elaunay圖映射的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格變形方法無(wú)需迭代計(jì)算，效率高，穩(wěn)定性好。但對(duì)大幅運(yùn)動(dòng)復(fù)雜構(gòu)形的動(dòng)邊界問(wèn)題，背景圖容易交叉，重新生成背景圖和重新定位網(wǎng)格點(diǎn)不僅費(fèi)時(shí)而且會(huì)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(dòng)網(wǎng)格生成方法，通過(guò)在初始背景圖中添加輔助點(diǎn)，生成虛實(shí)兩種背景圖和虛實(shí)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(shí)映射關(guān)系和實(shí)背景圖，移動(dòng)輔助點(diǎn)和網(wǎng)格點(diǎn)。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(jià)即可避免背景圖交叉引起的問(wèn)題，提高了動(dòng)網(wǎng)格生成的效率和質(zhì)量，增強(qiáng)了處理大變形復(fù)雜動(dòng)邊界問(wèn)題的強(qiáng)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(dú)用于柔性撲翼流場(chǎng)計(jì)算時(shí)需要網(wǎng)格再生的問(wèn)題。該方法為嵌套網(wǎng)格中

5、的每個(gè)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(gè)時(shí)間步，根據(jù)壁面的運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律移動(dòng)背景圖，再根據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)和背景圖的映射關(guān)系移動(dòng)網(wǎng)格點(diǎn)，之后自動(dòng)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(jìn)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(diǎn)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(chǎng)，考察了小展弦比機(jī)翼在低雷諾數(shù)條件下的升阻力特性、

6、流場(chǎng)流動(dòng)機(jī)理，分析了翼尖渦和翼梢小翼對(duì)氣動(dòng)特性的影響，并對(duì)大攻角下流場(chǎng)的非定常現(xiàn)象進(jìn)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(jī)翼的流場(chǎng)具有較復(fù)雜的三維效應(yīng)，翼尖渦的存在對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)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(niǎo)柔性撲翼模型，并以配平重力和平衡阻力為條件，數(shù)值計(jì)算了它的低雷諾數(shù)非定常流場(chǎng)，研究分析了仿鳥(niǎo)撲翼的流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)、升力推力產(chǎn)生機(jī)

7、制和氣動(dòng)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(chǎng)尾渦的分布特點(diǎn)。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(duì)撲翼機(jī)的成功飛行至關(guān)重要；下?lián)溥^(guò)程附著上翼面的前緣渦是升力產(chǎn)生的重要機(jī)制。數(shù)值研究了二維前后置雙撲動(dòng)翼的非定常流場(chǎng)，考察了前后翼?yè)鋭?dòng)的相位差、水平距離、頻率和攻角等參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)力和氣動(dòng)效率的影響，并對(duì)前后翼之間存在的氣動(dòng)干擾進(jìn)行了分析。
　　 蜻蜓能通過(guò)改變前后翼間的相

8、位實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)比J＝0)和中等前飛速度(J=0.3)兩種狀態(tài)下的流場(chǎng)，每種狀態(tài)各計(jì)算從0o至360o間隔30o的13個(gè)不同相位。考察氣動(dòng)力和氣動(dòng)功率隨相位的變化關(guān)系以及前后翼間的氣動(dòng)干擾，也分析了流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均舉力和平均氣動(dòng)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(dòng)功率也符合蜻蜓真實(shí)飛行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。90o～270o的較寬相位范圍內(nèi)，兩翼間的氣動(dòng)