地效翼船气动力特性预报的CFD应用研究

摘要

计算流体力学（CFD）在船舶与海洋工程领域的应用越来越受到重视，并开始进入实用化阶段。然而，由于地效翼船几何外形的复杂性和近地面飞行时流场的难以计算，在预报地效翼船气动力特性方面，CFD技术还未达到实用化程度。因此利用现代数值技术对地效翼船在近地面粘性流场中运动的气动力特性进行系统的计算研究，具有重要的工程意义和现实意义。 本文首先对地效翼船气动力特性研究领域中的的CFD的发展和应用情况，进行了回顾和分析。然后利用流体力学的基本理论和方法，建立了描述地效翼船在近地面飞行时的流体动力特性的数学模型。最后利用数值计算方法，进行了一系列的数值计算。具体计算工作和结论如下： 1）通过求解RANS方程，对二维机翼无界粘性流场进行了验证性数值模拟，以考察不同湍流模式的影响。通过计算结果与试验数据的充分比较，确定了比较可靠的数值模拟方法； 2）用上述方法对不同飞高、攻角以及翼型的地效翼气动力特性进行了分析。结果表明：粘流的计算结果比势流更接近试验值，并且除了相对飞高和攻角以外，翼型的厚度和拱度对地效翼的气动力特性也有显著影响； 3）采用VOF法对近自由液面的机翼绕流场进行了数值模拟。结果表明，除强地效大攻角的工况外，大多数情况下自由面对二维地效翼的影响都可以忽略不计； 4）利用CFD技术模拟了地效翼在风洞中的气动特性试验。分析认为：试验误差主要由固定地板和移动地面的不模拟引起的，洞壁的影响可以忽略。并提出了提高试验精度和修正试验数据的方法，以指导地效翼的性能试验和设计； 5）开展了三维带端板机翼近地面粘性流场的数值模拟。计算结果与NACA的试验数据和702所的试验结果进行了对比，发现数值模拟具有较高的精度，可以满足性能设计和预报的要求。 6）采用混合网格（内域使用非结构网格，外域使用结构化网格）技术和不同湍流模式，对具有附体的地效翼船的绕流场进行了数值计算，并对不同湍流模式计算结果进行了比较。计算结果满足工程应用的要求，可以用于指导总体设计和方案比较。