典型三角翼大迎角动态流场大涡模拟

2024-10-12

  新一代CAE/CFD

  童年时折过的纸飞机不止是玩具,也是人类探索飞行原理的实验样本。投掷纸飞机时,纸飞机受到推力作用,基于伯努力原理、涡升力、惯性等物理现象支撑了纸飞机的飞行。

  人类对于飞行的向往绝不仅限于小小的纸飞机,早在莱特兄弟发明飞机之前,类似纸飞机滑翔翼这样的简易飞行工具就已被制作出来。虽然大多都以失败告终,但也为人类飞向蓝天播下了种子。

  公元19年

  朝皇帝王莽博募有奇技术可以攻匈奴者,“或言能飞,一日千里,可窥匈奴。莽辄试之,取大鸟翮为两翼,头与身皆著毛,通引环纽,飞数百步堕。”(出自《汉书•卷九十九下•王莽传下》)

  公元875年

  据大量目击者记录,科尔多瓦的摩尔人博学家阿拔斯·伊本·弗纳斯(Abbas Ibn Firnas),当时已65岁,从科尔多瓦的城墙起飞,飞行几百尺后又回到了出发点,不幸的是他在着陆时伤到了后背,无法再进行第二次飞行,并在12年后因后背的伤势而去世,但这仍然被视为航空史上人类第一次成功的飞行。

  进入工业时代,动力滑翔机出现了,自带的动力装置能够自己起飞,动力装置关闭后可以继续在空中滑翔,并在需要时再次启动动力装置,安装简易、便携的悬挂装置后,飞行不再是复杂、高成本的难题,这种动力悬挂滑翔机也成为航空运动领域最受欢迎的一类飞行器。

动力悬挂滑翔机

  现代军事应用

  细心的小伙伴可能已经发现,不论纸飞机还是动力悬挂滑翔机的翼面大都是三角形形状,可以认为是一种广义上的三角翼。三角翼布局的飞机设计出现得很早。第二次世界大战后期,人们发现了后掠翼对飞机飞行速度的影响,并将其运用在喷气式战斗机上,让战机获得了优秀的飞行性能。随后就有人提出了三角翼设计。

  三角翼形状可使气流在机翼前缘和后缘之间过渡更加平滑,减少气流分离、进而降低整体阻力,具有良好的空气动力学性能。除此之外,三角翼在高迎角飞行时,机翼前缘会产生涡流,这些涡流可以使空气流动附着在机翼上表面,避免边界层分离,有效延缓失速的发生。

  三角翼独特的动力学特性可以满足战斗机执行任务中大迎角、跨音速的飞行状况,现代战机设计中随处可见三角翼型的身影。法国达索公司从20世纪50年代起开始对“幻影”系列战斗机研发,并大都采用了三角翼这种当时非常规的气动布局,幻影3型、幻影-2000都是同时代较为先进的战斗机。

幻影3型

  幻影3型

幻影-2000

  幻影-2000

  三角翼的设计特点,使其在高速飞行时具有较高的效率和稳定性,但在低速飞行时因为三角翼的低展弦比,升力效率不如传统的后掠翼,这使得飞机在起飞、着陆或低速飞行时操纵性和稳定性表现一般,特别在无尾翼三角翼下俯仰力矩特性较差。

  为了降低三角翼自身气动局限的影响,各种改进措施相继出现。我国新一代战机歼-20、欧洲的阵风都采用了鸭式前翼三角翼的布局,鸭翼布局的主要优点是配平阻力比较小,且具有较大的升阻比。

歼-20

  歼-20

欧洲

  欧洲"阵风”

  Dimaxer三角翼计算模拟

  飞行器大迎角动态机动飞行时,流场会产生流动分离和涡破碎,气动力表现出很强的非线性和非定常特征。本案例基于Dimaxer软件,对亚声速65度三角翼进行计算模拟。

  基于创新数值算法及创新全异步计算模型,Dimaxer软件可实现对复杂流场的高精度计算,且显著提升计算效率。

  计算说明:

  计算模型采用半模计算,网格使用全六面体网格,流体计算域为半球形,网格数量为201万,四阶精度求解,1.28亿个求解点,在4张Nvidia GeForce RTX 4090D GPU卡下计算,每个工况计算完成需约127小时。

网格划分

  网格划分

  边界条件:

  模型物面为无滑移壁面边界,Y=0平面为对称边界,外边界设置为远场边界条件计算初场为均匀初场,同时用户可输入给定的攻角,按照算例需求输入单位矢量大小以确定来流方向。

模型物面

  气动力系数(Dimaxer计算结果 vs 实验数据)

  NASA兰利研究中心在上世纪90年代进行了65°三角翼模型的数值风洞实验,目的是研究雷诺数和马赫数对4种前缘钝值下细翼前缘涡流动的影响,其实验值被用于评估和验证CFD软件模拟三角翼涡分离和发展等复杂流动现象能力。

  将 Dimaxer 计算得到的三角翼气动力系数与上述65°三角翼模型的数值风洞实验结果进行对比,结果如下:

三角翼气动力系数三角翼气动力系数

  表面压力系数(Dimaxer计算结果 vs 实验数据)

  AOA=26.5°时,计算得到的65°三角翼表面沿流向剖面压力系数与实验数值进行对比,结果如下:

  AOA=26.5°

  三角翼不同迎角瞬态涡结构发展:

  AOA=12.3°

  AOA=16.4°

  AOA=26.5°

  通过对比可以看到,关于三角翼气动力系数、表面压力系数,Dimaxer 软件计算所得趋势与实验一致;此外,Dimaxer软件能够精确展示三角翼不同迎角瞬态涡结构发展,验证了 Dimaxer软件模拟钝前缘三角翼分离和涡发展等复杂流动现象的能力。

  【参考文献】

  [1]王一州,彭毅豪,杨志雄,等.基于三角翼超音速战斗机的一种机翼模拟气动设计和仿真[J].科技与创新,2024,(01):75-77.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2024.01.021.

  [2]李立.65°三角翼亚音速复杂流场计算和数据可视化[J].力学与实践,2017,39(01):18-24.

  [3] Julio Chu and James M. Luckring,“Experimental Surface Pressure Data Obtained on 65° Delta Wing Across Reynolds Number and Mach Number Ranges Volume 1—Medium-Radius Leading Edge”,NASA Technical Memorandum 4645.

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