基于Ansys-CFX的飞机机翼瞬态流场分析

孙巍 张博 郭鹏星

(渤海大学工学院,辽宁锦州 121000)

基于Ansys-CFX的飞机机翼瞬态流场分析

孙巍 张博 郭鹏星

(渤海大学工学院,辽宁锦州 121000)

机翼是飞机飞行必不可少的组成部分,了解其在飞行过程中周围流场的状态对设计者在设计机翼结构时起到非常关键的作用。利用ANSYS-CFX软件建立飞机机翼有限元模型,通过建模和设置边界条件分别对机翼低音速,超音速和临界音速三个约束条件下机翼的状态进行分析,得到相应的数据及云图。分析结果得出在飞机飞行过程中,机翼周围的流速与压力大小成反比,并且机翼最前端所受的压力最大,同时由压力云图可以得出,飞机在接近音速条件下其周围所受的压力最大,在飞机突破音障之后,机翼周围的压力反而减小。同时由仿真结果得到一些重要数据,为高空飞行时机翼的设计和改进提供了数据依据。

机翼设计 绕流 音障

这些年来，世界各国越来越重视高空长时间飞行的飞机设计与优化。根据长时间飞行飞机的时间性能的要求，对飞机各部件的要求也越来越严格。机翼是飞机的重要组成部件之一。它的最主要的作用是飞行过程中提供起飞所需要的升力，同时使飞机具有操作性和横侧的稳定性[1]。因此，机翼结构力学稳定性对保证整个飞机在飞行过程中的安全起着非常重要的作用[2][3]。目前很多文献研究非对称翼，对非对称翼简单来说上表面比较凸，因此流过机翼上表面的流速较快；而机翼下表面比较平因此流过机翼下表面的气流较慢，与上表面正好相反。根据流体力学的基本原理，流动慢的大气压强较大，而流动快的大气压强较小，这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高，大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大，二者的压力差便形成了飞机的升力[4][5]。本文利用流体力学仿真软件ANSYS-CFX对一种经典的对称型固定翼模型NACA0012的机翼外部气体流动状态进行模拟仿真，通过CFX模拟计算并观察在三种不同范围的速度下，机翼周围的压力大小，气流分布及气体轨迹状态。

图1 CFX 软件结构图

图2 亚音速时的速度云图

图3 亚音速时的压力云图

图4 跨音速时的速度云图

图5 跨音速时的压力云图

1 ANSYS CFX介绍

ANSYS-CFX流体力学软件是全球第一个通过ISO9001质量认证的于流体计算的大型商业CFD软件，可以用于亚音速、跨音速和超音速流体的数值模拟。其功能的实现主要由5部分组成[6]:

(1)几何建模:创建或导入几何域；控制方程在其中将被求解，同时获得在这个区域中的结果。

(2)网格划分:创建有限体积或是单元的过程；网格可以在另一个模块中创建或是从其他的网格划分器中导入。

(3)前处理:求解问题描述，定义物理模型，材料属性和边界条件。

(4)求解求解控制方程:设置求解器选项；将迭代求解控制方程过程作为一个批处理的过程，求解收敛。(5)后处理分析和显示求解结果。其结构及过程如图1所示。

该软件采用有限体积法进行离散，采用K-标准，所用控制方程如下。

其中: μeff为有效粘度；˙为修正压力； Cε1， Cε2， σε，kσ都是常数[7][8]。

2 模型的设定及条件的设立

前人的研究表明对称翼型在所有翼型中的阻力是最小的。为了研究对称翼飞机在飞行过程中，其翼型阻力分布情况及其影响阻力大小的关系，因此采用典型的对称翼型NACA0012来进行研究。由于影响飞行中机翼的因素有很多，比如，气体，温度，气流攻角，气流速度等等。为了方便研究，在此设定飞机水平飞行即气体攻角为0度，气体温度采用静态温度T=300K，为了进行对比，文中选择三个不同的气流速度，分别是亚音速，跨音速，超音速三个范围中的某一速度值。由于在模拟超音速时，必须保证域内物质设置为理想气体，热量传递模型为全热模型，为了保证各个状态下所处环境能相同，因此

图6 超音速时的速度云图

图7 超音速时的压力云图

在三个不同速度的模拟中，所处环境都选择理想气体。

在流体域设定中，选择理想气体，参考压力选择1atm，由于全热模型适合高速流体及可压缩流体的热量传输计算，因此热量传输选择全热传输，同时为了使模型适合高精度边界层的模拟，本文中湍流模型选择剪切压力传输(SST) k-ω模型。

在边界设定中，选择对称边界及无滑移壁面边界。在入口边界设置中，设置湍流密度为0．01，湍流长度为0．02m，静态压强为0Pa，静态温度为300K，速度分别为100m/s，340m/s，600m/s。

本模拟利用残差值为0．00001的RMS，进行100次迭代实验得到在不同速度下的三组仿真图。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真云图(图2-图7)

3.2 结论及分析

(1)从3组速度云图与压力云图可以看出，对于对称翼来说，机翼上下受力情况完全相同，在机翼周围，流速大的地方压力小，流速小的地方压力大，符合伯努利原理。仿真结果正确，可靠。

(2)从文中的3组图中都可以直观的看出，在机翼前缘处，其流速最小，并且低于飞机本来的飞行速度，同时其所受的压力最大，因此基于这一结论，在飞机的制造中，要特别重视机翼前缘材料的抗压能力，才能保证机翼的安全性能，并且可以得出，在飞机速度为100m/s时，其前缘的压强大小为4733Pa，在飞机速度为340m/s时，其前缘的压强大小为 1.023×106P a 。在飞机速度为600m/s时，其前缘的压强大小为 1.987×105P a ，这些数据为机翼设计，制作提供重要的参考依据。

(3)由3组压力云图可以看出，当飞机速度处于340m/s时，机翼周围的压力处于最大状态，当飞行速度超过音速时(340m/s)随着速度的增加其机翼周围的压力反而减小，说明此时已经产生音障现象，即物体的速度快要接近音速时，周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态，因此一旦物体穿越音障后，周围压力将会陡降。音障现象也是曾经阻碍飞机从亚音速到超音速突破时的最主要障碍，在飞行器设计中，不应忽视其作用。

(4)由压力云图可以看出，机翼上下表面受力情况完全相同，因此如果只是以0攻角飞行的话，无法形成向上的升力，飞机是无法起飞的，因此要想起飞则需要一定的气流攻角，让机翼下表面的气流速度小于机翼上表面的气流速度，才能产生一定的压力差，使之能够起飞。

[1] 葛讯.鸭式旋翼/机翼飞行器研究[D].南京航空航天大学,2012.

[2] 秦可伟,马贵春,席园,姚光生.基于ANSYS的机翼动力学分析[J].航空计算技术,2014.2:106-109.

[3] 刘德民,刘小兵,李娟.钛合金机翼的振动与模态分析[J].机械设计与制造,2008.3:76-77.

[4] 杜加友.水下滑翔机本体及调节机构研究[D].浙江大学,2006.

[5] 刘鹏.翼型失速的电磁控制[D].南京理工大学,2007.

[6] 高飞,李昕编著.ANSYS CFX 14.0超级学习手册[M].人民邮电出版社,2013.

[7] 陈景秋,胡韩飞,张永祥.Star-CD对汽车外流场的三维数值模拟[J].重庆大学学报:自然科学版,2005,28(4):99-101.

[8] 张英朝,邵书鑫.基于Star-CCM+的跑车减租设计[C]//CDAJ-China中国用户论文集,2011.

孙巍(1992—),女,汉族,辽宁辽阳人,硕士研究生,单位:渤海大学工学院,研究方向:模式识别与智能系统；郭鹏星(1992—),男,汉族,河南安阳人,本科,单位:渤海大学工学院。

张博(1977—),男,汉族,副教授,单位:渤海大学工学院,研究方向:计算机网络,兵器科学与技术。jzhzhb@sian.com。