ANSYS模擬某前掠翼飛機(jī)的CFX氣動

2013-05-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文通過介紹ANSYS CFX 對某前掠翼飛機(jī)的氣動模擬過程,進(jìn)一步揭示CFX 在復(fù)雜氣動問題模擬方面的技術(shù)優(yōu)勢。本次模擬的結(jié)果都和試驗(yàn)進(jìn)行了對比,不同的湍流模型、不同的網(wǎng)格尺度的對比結(jié)果,相信會對關(guān)心氣動計(jì)算的研究者提供有益的幫助。

ANSYS CFX 作為第二代的商業(yè)CFD 軟件,其主要特點(diǎn)已經(jīng)被國內(nèi)外許多用戶所熟知。如對復(fù)雜問題有著驚人的收斂速度(大多數(shù)模擬在一百個(gè)迭代步左右收斂),這主要得益于CFX 的全隱式耦合多網(wǎng)格算法;默認(rèn)的高階精度插分格式以及獨(dú)有的湍流模型處理方法一直處于領(lǐng)先地位,使得CFX 的模擬結(jié)果能夠保證精度的要求;此外,其領(lǐng)先的流固耦合算法也是當(dāng)前許多用戶關(guān)心的問題之一;CFX 對網(wǎng)格的要求很低,差質(zhì)量的網(wǎng)格同樣能獲得很好的收斂性能,這是因?yàn)镃FX 采用了多面體網(wǎng)格技術(shù)(基于有限元法的有限體積法)。

前掠翼飛機(jī)的氣動布局較為復(fù)雜,前后翼距離很近,前翼產(chǎn)生的尾渦對后翼的影響很大。尤其在大攻角時(shí),機(jī)翼上部會生成復(fù)雜的渦系,這對計(jì)算也提出了較高的技術(shù)要求。

為了對比不同網(wǎng)格尺度對計(jì)算結(jié)果的影響,本次模擬對前掠翼飛機(jī)劃分了三種不同網(wǎng)格密度進(jìn)行計(jì)算。采用ANSYS ICEM CFD 劃分了全六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量分別為154805(粗網(wǎng)格), 1238440(中網(wǎng)格),9907520(密網(wǎng)格)。網(wǎng)格分布見圖1、2。

本次計(jì)算所采用的雷諾數(shù)為0.46e6,馬赫數(shù)為0.118,攻角從0 度到45 度。計(jì)算采用了CFX 中獨(dú)特的SST 湍流模型,作為對比要求,也給出了常見的k-epsilon 和k-omega的模擬結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果對比分析

圖3 是試驗(yàn)結(jié)果于ANSYS CFX 三種湍流模型的模擬結(jié)果對比。整體來看,CFX 對大迎角問題計(jì)算得很好,大迎角氣動失速問題是許多氣動工作者關(guān)心的問題之一。另外,小迎角時(shí),三種湍流模型計(jì)算結(jié)果都和試驗(yàn)結(jié)果相符合;當(dāng)迎角大于20 度時(shí),k-epsilon 模型計(jì)算的升力系數(shù)偏高,而k-omega 模型計(jì)算的升力系數(shù)偏低;此時(shí),相對來講,SST 湍流模型計(jì)算結(jié)果符合的最好。在整個(gè)測試攻角范圍內(nèi)都和試驗(yàn)值吻合得很好。

圖4 的力矩系數(shù)則進(jìn)一步顯示出SST 湍流模型對所有迎角范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果都和試驗(yàn)吻合得很好,而k-epsilon 模型和k-omega 模型計(jì)算的力矩系數(shù)都在大迎角時(shí)偏低。

上述的計(jì)算是在中等網(wǎng)格尺度下進(jìn)行的,為了比較不同網(wǎng)格尺度對計(jì)算結(jié)果的影響,我們對比計(jì)算了三種網(wǎng)格尺度下的結(jié)果。

圖5 顯示了三種網(wǎng)格尺度下,利用SST 湍流模型計(jì)算的升力系數(shù)比較,可以看出,在失速前,三種網(wǎng)格尺度計(jì)算的升力系數(shù)差別不大,和試驗(yàn)值都能很好地吻合;而在失速后,密網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果則要明顯好于其它兩種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果。

圖6 表明,對力矩的計(jì)算結(jié)果要符合得更好,三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差別不大,都和試驗(yàn)值吻合。

因此,如果只計(jì)算相對小迎角的工況,可以不用對網(wǎng)格做太大的加密,就能保證有吻合的升力系數(shù)和力矩系數(shù)結(jié)果。而當(dāng)迎角大于失速迎角時(shí),有必要采用密網(wǎng)格,已捕捉此時(shí)翼面上的分離流動。

收斂性能

飛機(jī)全機(jī)氣動計(jì)算的主要障礙之一是計(jì)算機(jī)資源的消耗較大,因此,高效率的收斂性能顯得非常重要。ANSYS CFX 在本次計(jì)算中,所有的工況都在100 步以內(nèi)就迭代收斂了。這種快速的收斂特性相信國內(nèi)許多用戶已經(jīng)有親身體會了。圖7 顯示的是動量方程的收斂曲線,在60 步就基本收斂。圖8 是本次計(jì)算的升力收斂曲線。