细长旋成体绕流特性数值模拟研究.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald科学研究创新细长旋成体绕流特性数值模拟研究冯瑞强 李晓明*王宇天（中国人民解放军空军航空大学 吉林长春 130000）摘要：为深入研究细长旋成体有迎角时的绕流特性，本文通过数值模拟方法研究迎角、扰动块位置对细长旋成体绕流特性的影响。研究表明，小迎角时，细长旋成体不受侧向力，流场结构呈附着流态或对称涡流态，物面压力对称分布，这一迎角区域被称为“零侧向力区”；随着迎角增加，侧向力会逐渐增加，并且在50 迎角时侧向力达到最大，在这一迎角范围内，侧向力大小随扰动块周向位置变化而连续变化，这一迎角区域又被称为“连续区”；之后，继续增大迎角，侧向力有所减小，但是侧向力大小随扰动块周向位置不再变化，只是方向会发生改变，这一迎角区域又被称为“双稳态区”。细长体侧向力随扰动块周向位置变化呈“单周期”变化规律，在“连续区”，扰动块周向位置越远离纵向非对称面，细长体侧向力越大；在“双稳态区”，扰动块周向位置变化不改变侧向力大小，但是比较靠近头部的截面侧向力却表现出了“连续区”的变化规律。关键词：细长旋成体 迎角 周向位置 绕流特性 数值模拟中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0005-08Numerical Simulation Study on Flow Characteristics Around a Slender BodyFENG Ruiqiang LI Xiaoming*WANG Yutian(Aviation University of Air Force,Changchun,Jilin Province,130000 China)Abstract:In order to study the flow characteristics of slender bodies at an angle of attack,the effects of the angle of attack and the position of the disturbance block on the flow characteristics of slender bodies were studied by numerical simulation.The results show that at low angles of attack,the slender body is free of lateral force,the flow field structure is in the attached flow state or symmetric vortex flow state,and the body surface pressure is symmetrically distributed.This area of angle of attack is called the zero lateral force zone.With the increase of the angle of attack,the lateral force will gradually increase,and at 50 angle of attack,the lateral force will reach the maximum.Within this attack angle range,the magnitude of the lateral force changes continuously with the circumferential position of the disturbance block,and this area of the angle of attack is called the continuous zone.After that,when the angle of attack continues to increase,the lateral force decreases,but the magnitude of the lateral force does not change with the circumferential position of the disturbance block,but the direction will change.This area of the angle of attack is also known as the bistable zone.The lateral force of the slender body changes with the circumferential position of the disturbance block in a single period way.In the continuous area,the more the circumferential position of the disturbance block is far away from the longitudinal asymmetric plane,the greater the lateral force of the slender body.In the bistable zone,the change of the circumferential position of the disturbance block does not change the magnitude of the lateral force,but the lateral force of the section closer to the head shows the change rule of the DOI：10.16660/ki.1674-098X.2209-5640-6970作者简介：冯瑞强（1995），男，硕士，学员，研究方向为飞行力学与控制。通信作者简介：李晓明（1982），男，博士，副教授，研究方向为航空发动机测控技术，E-mail：。5科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科学研究创新continuous zone.Key Words:Slender body;Angle of attack;Circumferential position;Flow characteristics;Numerical modeling现代飞行器高机动性和高敏捷性的实现依赖于其优良的大迎角空气动力特性。然而，飞行器处于大迎角飞行状态时，所处的绕流流场会发生严重的气流分离现象，此时，控制舵面效率大大降低，甚至失效，细长前体即使在零侧滑条件下也会产生较大的侧向力和偏航力矩，从而导致飞行器失控，造成严重的飞行事故。直到今天，飞行器大迎角横侧向控制仍是困扰各国学者的难题。20世纪50代以来，国内外学者以细长旋成体为研究对象，对大迎角非对称绕流的流场结构、影响因素、形成机理及控制方法等方面都进行了深入的研究，获得了很多的成果。ERICSSONL等人1发现在迎角从090变化时，细长旋成体绕流流场将会经历4种流态的演化。DENGX等人2利用表面压力测量与水洞显示技术，得到了大迎角下非对称绕流流场的空间演化规律，并建立了非对称背涡结构物理模型。ZHU Y3通过实验对比研究了自然扰动和在头部添加扰动两种情况下细长旋成体大迎角绕流流场。管小荣4研究发现采用数值模拟方法时，只有在头部添加不对称分布的微小扰动才能触发细长旋成体绕流非对称。QIY5通过风洞试验和数值模拟，研究了大迎角下尖头细长体双稳态非对称流动的产生机制。张浩楠等人6采用数值模拟方法研究了细长旋成体对称涡流态中的临界状态。刘克奇7利用数值模拟方法分析了对称和非对称流场中的基点数量、位置和性质。蒋洪刚8研究了大迎角非对称涡的振荡现象。王方剑9研究了超大迎角下的细长旋成体绕流特性。本文将从简单的细长旋成体模型入手，利用数值模拟方法，对尖拱形细长旋成体大迎角非对称流场进行了分析，讨论了人为扰动、迎角等流场因素对整个流场的影响，以及它们和模型侧向力之间的响应关系，同时讨论了大迎角旋成体背涡生成和发展情况，为以后探究大迎角下细长旋成体侧向力控制技术打下基础。1 计算模型建立1.1 数学模型数值计算控制方程为基于量热完全气体假设的三维可压缩Navier-Stokes方程，通过引入通用变量，可以将各个控制方程描述成以下通用形式：()t+div(u)=div()+S（1）式中，t为时间，是密度，u是速度矢量，是广义扩散系数，S是广义源项。对于特定方程，、和S具有各自的特定形式10。式(1)中从左到右各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。湍流模型采用SST k-模型，其中，湍动能k和比耗散率的输运方程为：t(k)+yxi(uik)=yxj(kkxj)+Gk-Yk+Sk（2）t()+yxi(ui)=yxj(xj)+G-Y+D+S（3）式中：k、分别是k、的有效扩散率；Gk是由时均速度梯度引起的湍动能项；G是的生成项；Yk、Y分别是由湍动引起的k、的耗散项；D是的正交扩散项；Sk、S分别是k、的用户自定义广义源项。上式各项系数的具体物理意义和计算方法可参阅相关文献11。1.2 几何模型及网格划分研究所采用的细长旋成体模型为尖拱圆柱结构，头部尖拱体和后体圆柱以相切的方式结合在一起。为了提高网格质量和避免尖点造成的数值不确定性，尖端采用半径rt=0.01D的半球作了钝化处理。头部尖拱段长度Lh为3D（D为后体圆柱段直径，为200mm），头部拱性曲线方程见方程（4），后体圆柱段长度Lc为10D，细长旋成体几何模型整体示意图见图1。图1细长旋成体模型6科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科学研究创新y()xD=-0.002615*(xD)3-0.03896(xD)2+0.30984*(xD)+0.0069（4）本文采用的微小几何扰动凸块与表面粗糙度尺度更接近，高 H 为 0.0005D，长 Lr为 0.002D，前宽 b1为0.0005D，后宽b2为0.001D，微小扰动前沿距细长旋成体头部距离（轴向位置）Lz为0.03D，为微小扰动（中心位置）周向角。图2为为90的扰动参数及位置示意图。在本文中，针对细长体绕流，使用右手直角坐标系，坐标系原点o位于细长体头部顶点，沿细长体轴向从尖顶往后体方向为x轴正方向，自由来流方向位于x轴下方，且平行于xoy平面并穿过xoz平面，在此坐标系内，来流速度矢量在x、y方向分量的正负值均与x、y坐标正负值一致。表示细长体的来流迎角，U表示远场来流速度。旋成体周向角与的起始位置均为细长体流场纵向对称面（xoy）的迎风面，范围为0360，在沿x轴正方向往下游观察条件下，逆、顺时针为和旋转正方向。本文通过ICEM生成细长体外流场的网格。外流场计算区域为圆柱形，沿径向（y方向）延展至40D距离，沿轴向后体（正x方向）延伸60D，由于计算为亚音速流动，为了保证前传流动的充分发展，沿轴向尖顶往前延伸40D（-x方向），如图3（a）所示。对细长体头部、微小扰动附近局部区域及背部网格进行加密处理，第一层网格高度为（5 10-5）D，y+1，且有至少20个径向网格节点位于粘性层内，扰动块及附近网格细节如图3（b）所示。1.3 边界条件及计算格式细长旋成体物面采用无滑移绝热固壁边界条件，计算域外边界设置为压力远场边界条件，来流湍流度取1%，湍流粘性比等于1，采用Fluent商业软件密度基（a）计算域（b）局部加密网格图3细长旋成体绕流流场计算网格图2几何扰动参数及位置7科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科学研究创新求解器进行求解，湍流模型采用SST k-模型，对流项采用Roe通量差分格式，界面两侧通量则由二阶迎风格式重构得到。1.4 网格无关性验证侧向力系数是本文研究中的一个重要参数，图4是在不同网格设置条件下，利用本文数值模拟方法对细长旋成体绕流流场进行数值计算得到的Cz对比情况。Cz=Fzq Sb，式中，Sb是模型后体的横截面面积，Fz是模型上总的侧向力，q=U2/2，p、U分别是自由来流压力、密度和速率。计算参数为：Ma=0.1，=50，ReD=1.6105。在标准网格基础上减小网格数量，得到网格1，网格节点设置（nx ny n）为11050100，网格总数为81万；在标准网格基础上加密，得到网格2、网格 3 和网格 4，nx ny n分别为 132100132、190100132和190120160，网格总数分别为230万、300万和450万。从图中可以看出，在本文标准网格基础上进一步增加网格数量，对数值结果的影响不大，这就证明了本文数值模拟结果的网格无关性。综合考虑计算效率和计算精度的影响，本文的数值计算结果都是在标准网格基础上得到的。2 数值计算结果分析本节数值计算结果都是在Ma=0.1、ReD=1.6105情况下得到的。2.1 迎角对细长旋成体绕流特性的影响迎角是影响细长旋成体绕流特性的重要因素，本节将通过数值模拟方法探究迎角对细长旋成体绕流特性的影响规律。图5为不同扰动块周向角度时细长旋成体侧向力随迎角的变化曲线。由图可知，针对本文的模型，当为180或360时，无论迎角如何变化，细长旋成体都不受侧向力。当扰动块不在这两个位置时，在小迎角（20）时，细长旋成体不受侧向力，该区域被称为“零侧向力区”；随着迎角增加，在2050范围时，细长旋成体侧向力随迎角增大而增大，并且在=50时，细长旋成体侧向力值最大，这一迎角范围内，同一迎角下，细长旋成体侧向力随着扰动块周向位置的变化而连续变化，该区域被称为“连续区”；随着迎角继续增加，在5080范围时，细长旋成体侧向力随迎角的增加而减小，当=80时，细长旋成体侧向力变为了0，这一迎角范围内，同一迎角下，扰动块周向位置变化只能改变细长旋成体侧向力的方向，却不能改变侧向力大小，该区域被称为“双稳态区”。图6是“零侧向力区”和大迎角范围内，扰动块关于纵向对称面对称分布时，细长旋成体截面Hd云图和物面压力分布。从图中可知，当迎角较小（=10）时，沿轴向向后，细长旋成体截面绕流有附着流态和对称涡流态两种；当扰动块对称分布时，截面绕流呈对称涡流态，截面压力分布关于纵向对称面对称分布，因此所受侧向力为0。图7为=90、=50时，根据2准则12获得的细图4侧向力系数与网格数量的关系图5Cz随 的变化曲线8科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科学研究创新长旋成体非对称绕流流场结构，从图中可以看出，此时，细长旋成体背风区处于非对称多涡流态。图8为由背风区非对称涡系结构诱导形成的呈衰减正弦曲线形式的截面侧向力轴向分布，x/D代表由特征长度进行无量纲化的截面轴向位置，本文计算得到截面侧向力沿轴向分布规律与前人4的研究一致，进一步证明了本文数值计算结果的可靠性。图9为细长旋成体截面Hd云图和物面压力分布曲线轴向演化过程，从图中可以看出，在细长旋成体头部（x/D=1.0）时，由于扰动作用，左涡VL1率先飘起远离物面，成为“高位涡”，对物面的诱导作用减弱，右涡VR1仍是“低位涡”。由于距物面较近，对物面的诱导作用相比较强，因此，左、右侧物面压力分布不对称，右侧负值（a）=10，=90（b）=50，=180（c）=50，=360图6Hd云图和物面压力分布图7非对称绕流流场结构图图8截面侧向力轴向分布曲线9科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科学研究创新相应较大，从而引起了指向“低位涡”一侧，即右侧的侧向力，这种非对称涡流态一般被称为“右涡型”流态。“左涡型”流态与之相反，并且发现在距头部较近的截面（x/D=1.0），物面压力分布曲线中仍保持对称二涡压力分布中特有的再附压力峰值，说明了非对称二涡仍在发展阶段，DENG X2称其所在的区域为“非对称二涡发展区”。距头部较远的截面（x/D=2.5），随着漩涡从分离剪切层中获取涡量而不断增强膨胀，压力分布曲线中再附压力峰值消失，背风侧出现了一个较强的吸力峰值，呈现出了充分发展的非对称二涡的压力分布形态。沿轴向向后，左、右涡位置和物面压力分布非对称程度越来越大，因此，截面侧向力也越来越大，直到x/D=3.35截面，侧向力达到第一个极大值点b，在此之前的细长旋成体背风侧区域流场只有两个漩涡，又被称为“非对称二涡流态”。在x/D=3.35截面之后，VL1将会失去分离剪切层涡量的供给，成为脱落涡，由于边（a）非对称二涡流态（b）非对称三涡流态（c）非对称四涡流态（d）非对称五涡流态图9Hd云图和物面压力分布10科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科学研究创新界层继续分离和VR1的诱导作用，左侧下游分离剪切层会卷绕形成一个漩涡VL2，进入“非对称三涡流态”，此时，左涡VL1由于脱落，对物面的诱导作用较小，几乎可以忽略。VL2由于刚刚形成，对物面的诱导作用也相对不大，因此，此时绕流流场仍是由VR1主导，截面侧向力仍指向右侧，沿轴向向后，VR1位置越来越高，对物面的诱导作用越来越弱。VL2由于涡量的增加，对物面的诱导作用越来越强，对物面的诱导作用将成为主导，侧向力方向发生改变，指向左侧，直到x/D=6.35时，侧向力达到第二个极值点c。在x/D=6.35截面之后，VR1由于远离物面，将会失去分离剪切层涡量的供给，成为脱落涡，与VL2的形成原因相同。右侧下游分离剪切层会卷绕生成新的漩涡VR2，进入“非对称4涡流态”，由于其诱导作用较弱，此时，绕流仍由VL2主导，侧向力仍指向左侧，沿轴向继续向后，VR2对物面诱导作用持续增强，以及VL2诱导作用的持续减弱，VR2将成为主导涡，侧向力指向右侧，并越来越大，直到x/D=8.85截面，到达第三个极值点d。在x/D=8.85截面之后，绕流流场将呈现出“非对称五涡流态”，流场结构及侧向力曲线沿轴向的变化原因分析与非对称3、4涡流态相似。根据文献2，针对细长比较大的模型，在“非对称五涡流态”之后，继续沿轴向向后，将出现卡门涡涡或随机尾迹形式的脱落现象，时均侧向力可以忽略不计。2.2 扰动块周向位置对细长体绕流特性的影响由上节可知，在大迎角范围，根据扰动块周向位置变化是否能够连续改变侧向力大小，划分为“连续区”和“双稳态区”。本节将深入探究在“连续区”和“双稳态区”时扰动块周向位置对细长体绕流特性的影响规律。图10为细长旋成体侧向力随扰动块周向位置的变化曲线。由图可知，在“连续区”，侧向力随扰动块周向位置变化而连续变化，当为90和270时，即微小扰动周向分布非对称程度最大时，所受侧向力最大。在“双稳态区”，侧向力随扰动块周向位置变化曲线类似方波曲线，此时，细长体仅受大小相等、方向相反的两个侧向力，侧向力方向在扰动块经过纵向对称面时发生偏转，扰动块总是使其所在一侧的漩涡率先飘起成为高位涡，引起指向另一侧的侧向力。本文计算得到侧向力随扰动块周向位置的变化呈单周期变化规律，当扰动块周向位置关于纵向对称面对称时，得到的侧向力大小相等、方向相反，这与实验得到的双周期规律不一致，但与杨云军等人13的数值研究结论一致，原因可能在于实验研究的模型头部不是完全轴对称的，头部横截面有一定的偏心率。柳阳14通过研究发现，在研究头部为椭圆截面的细长旋成体“滚转角”效应时，得出了双周期的变化规律。细长旋成体所受的侧向力与截面侧向力息息相关，图11为不同截面处截面侧向力随扰动块周向位置的变化规律。由图可知：在连续变化区（=40），截面侧向力大小随扰动块周向位置变化连续变化；双稳态区（=50），在细长旋成体头部截面，截面侧向力大小随扰动块周向位置变化连续变化，远离头部的截面，截面侧向力大小随扰动块周向位置变化不变，这是由于在细长旋成体头部绕流非对称程度发展不充分。3 结论本章通过数值方法研究了迎角、扰动块周向位置因素对细长旋成体绕流特性的影响。（1）根据细长旋成体侧向力随扰动块周向位置变化不同的变化规律，将迎角从小到大划分为“零侧向力区”“连续区”“双稳态区”，并以50迎角下的细长旋成（a）连续区（b）双稳态区图10Cz随变化曲线11科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科学研究创新体绕流特性为例，研究了大迎角下细长旋成体流场结构及气动特性。（2）重点研究了“连续区”和“双稳态区”下扰动块周向位置对细长旋成体绕流特性的影响，发现细长旋成体所受侧向力方向总是指向扰动块另一侧。在“连续区”，扰动块分布越远离纵向对称面位置，细长旋成体绕流非对程度越大。在“双稳态区”，靠近头部的截面由于绕流非对称程度较低，侧向力随扰动块周向位置变化规律类似“连续区”中呈现的连续变化规律。参考文献1 ERICSSON L,REDING J.Aerodynamic effects of asymmetric vortex shedding from slender bodiesC.12th Atmospheric Flight Mechanics Conference.1985:1797.2 DENG X,WANG Y,CHEN X.Deterministic flow field and flow structure model of asymmetric vortices over slender bodyC.Aiaa Atmospheric Flight Mechanics Conference&Exhibit,2003:54753 ZHU Y.Experimental investigations of the asymmetric vortex formation over a slender body of revolution at high angles of attackJ.International Journal of Modern Physics B,2020,34(14/16):2040089.4 管小荣.细长旋成体大攻角绕流非对称性及其微型射流控制研究D.南京：南京理工大学,2009.5 QI Z,ZONG S,WANG Y.Bi-stable asymmetry on a pointed-nosed slender body at a high angle of attackJ.Journal of Applied Physics,2021,130(2):024703.6 张浩南,李国辉,徐宇.尖拱细长旋成体低速大攻角绕流数值模拟J.兵器装备工程学报,2020,41(12):171-176.7 刘克奇,李国辉,张浩南,等.带扰动块的细长旋成体背部绕流数值模拟J.北京航空航天大学学报,2021(47):1495-1504.8 蒋洪刚,马宝峰.时均非对称涡与涡振荡随细长体头部钝度的演化研究C.中国力学大会论文集（CCTAM 2019）,2019:2615-2624.9 王方剑,王宏伟,李晓辉,等.细长旋成体亚声速超大攻角非定常流动特性研究J.力学学报,2022,54(2):379-395.10张师帅.CFD技术原理与应用M.武汉：华中科技大学出版社,2016.11MENTER F R.Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applicationsJ.AIAA Journal,1994,32(8):1598-160512STUREK W B,LAUZON M,HOUSH C,et al.The application of CFD to the prediction of missile body vortices C.5th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,Reno,America:AIAA,1997:0637-0658.13杨云军，崔尔杰，周伟江.细长体大迎角非对称涡流的数值研究J.力学学报，2004(1):1-8.14柳阳.大攻角细长旋成体绕流的稳定性D.合肥：中国科学技术大学,2009.（a）连续区（=40）（b）双稳态区（=50）图11cz随变化曲线12