三角翼大攻角流场数值模拟研究

艾宇

摘 要：采用SA-DDES模型对带支架的后掠60度三角翼在30度，50度，70度以及90度攻角状态下的流场进行计算。研究了机翼的飞行攻角对气动参数的影响，将计算结果与实验相对比，发现计算得到的机翼气动力参数，与实验结果符合较好。

关键词：三角翼；大攻角；SA-DDES

1 概述

三角翼布局可以很好的协调亚、跨、超等不同速度范围内飞行器机翼平面形状的不同需求，不但使飞行器在低速飞行时具有良好的机动性能，又使得飞行器具备了高速巡航的能力[1]。本文以OpenFOAM为平台，采用SA-DDES模型对有/无支架后掠60度三角翼在30度、50度、70度以及90度攻角状态下的流场进行计算，分析气动参数随攻角的变化。

2 数学模型

本文采用SA-DDES模型对流场进行计算。SA-DDES模型是就是以SA模型为基础发展起来。在SA模型中，用d表示空间节点与壁面的最小距离。Spalart[2]所提出SA-DDES方法是将d重新表示，即

式（1）中，fd是与当地粘性系数以及速度梯度相关的函数。

3 三角翼大攻角流场的计算

3.1 带支架三角翼模型

本文以后掠60°三角翼为对象，如图1所示，其前缘后缘角为60°，展长为0.69m，模型前后缘上下翼面切角为25°。在三角翼模型的根弦处有一空圆柱与直径为28mm杆天平联接。

在本文中采用非结构网格对整个流域进行网格划分，在三角翼翼面上附加边界层网格，其他全部采用四面体网格，边界层的第一层网格为0.01mm。

3.2 计算结果分析

采用SA-DDES模型对攻角为30度、50度、70度、90度的三角翼绕流流场进行计算，其中来流速度为30m/s。

图2到图5给出了不同攻角下SA-DDES模型计算得到的三角翼背风面流场的流线图，从图中可以看出，不同攻角下，三角翼背风面流场的变化是不一样。在攻角为30度时，机翼的背风面就产生了剪切层分离，形成旋转方向相反的前缘脱体分离涡，并向尾部发展，涡核逐渐增大，如图2所示。随着攻角的继续增加，分离现象也越来越剧烈，分离涡与翼面间的距离逐渐增大，在攻角增大到50o时，三角翼背风区域已经处于完全的涡破裂状态，因此可以看出涡破裂现象在攻角大于30度小于50度的时候出现。在70o攻角以后，机翼背风面处在涡完全破裂的流动状态，出现了大尺度的涡脱落现象。

表1和表2分别列出了在30度、50度、70度、90度下，由OpenFOAM计算得到的和实验得到的法向力系数Cn和力矩系数Cm。从表中可以看出SA-DDES模型计算所得到结果的合理性。在攻角50度时，法向力系数降至最小，这是由于在30度与50度之间发生了涡破裂现象，并且随着攻角的增大，涡破裂点向机翼顶部移动，到50度时，处于涡完全破裂状态。

4 结束语

本文首先以OpenFOAM为平台，采用SA-DDES模型对带支架三角翼在不同攻角下的流場特性进行计算，分析不同攻角下，机翼背风区域流场的变化，压力系数的分布，以及气动参数的变化，将计算得到的结果与风洞实验结果进行对比，发现计算得到的结果与实验结果一致性较好。

参考文献

[1]陈亮中. 双三角翼非定常分离流动的数值模拟研究[D]. 绵阳：中国动力学研究与发展中心研究生部，2009.

[2]P. Spalart and S. Allmaras. “A one-equation turbulence model for aerodynamic flows”. Technical Report AIAA-92-0439. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1992.