基于DES方法的合成射流主动流动控制的数值模拟

摘要

流动分离的发生对许多相关机械或飞行器的性能产生影响，导致阻力增大、升力降低、甚至出现失速，是对机械装置/飞行器的工作效率、可操控性、安全性及环境噪声等的一个重要的限制因素。因而对分离现象的研究(推迟/控制流动分离的发生)一直是流体力学领域的热点问题。 合成射流是一种近10多年来发展迅速、且具有广泛应用前景的新型主动流动控制技术，其显著特点是不需要在流场内引入额外的质量，即净质量流量为零，但动量不为零。 本文以二维非定常可压缩RANS方程为控制方程，对NACA 0015翼型的低雷诺数流动进行了模拟，并对合成射流在此工况下的控制效应进行了初步研究。主要工作包括： 一、实现了基于S-A湍流模型的DES方法。空间离散采用Jameson中心有限体积法；时间推进为双时间推进方法，子迭代采用LU-SSOR 方法。DES方法是RANS/IES混合算法，兼有RANS方程和LES方法的优点，又克服了一些应用上的限制和困难。 二、研究了合成射流用于流动控制的效应，分析了作动器位置、作动频率及初始相位、射流出口速度与射流出射角对控制效果的影响。研究表明： 1．合成射流可以有效改善翼型气动力特性，当攻角超过失速攻角后的控制效果较为明显。其中攻角为16°时最为显著，升力较未加控制情况下提高了约30％。 2．作动器位置对合成射流的控制效应起重要的作用，要使合成射流达到较好的控制效果就需要选择一个合适/恰当的位置：在12％弦长处施加控制时，平均升力提高得最为明显，较未加控制情况下提高了约29％，同时最大升力提高了约54％；在48％弦长处加控制虽然平均升力较位于12％弦长时略有降低，但可以明显提高最大升力值，可以达到未加控制时的2倍；随着射流出口速度的提高，最大升力也会随之得到提升，但平均升力反而略有降低；在本文研究范围内，当作动频率低于临界值F<'+>=1.3时，最大升力与平均升力会随着作动频率的提高而下降，反之，最大/平均升力又会随着频率的提高而提高；作动器位于12％弦长处时，最优出射角为45°，在该状态下平均/最大升力达到最大；平均/最大升力对作动器初始相位的改变并不敏感。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1流动控制

1.1.2流动分离控制的实现及意义

1.1.3合成射流

1.2研究现状

1.3本文的主要工作

第二章控制方程及数值方法

2.1控制方程

2.2湍流模型

2.2.1 Baldwin-Lomax(B-L)模型

2.2.2 Spalart-Allmaras(S-A)模型

2.3边界条件

2.3.1远场边界条件

2.3.2物面边界条件

2.3.3割缝边界条件

2.3.4射流边界条件

2.3.5 S-A湍流模型的边界处理

2.4空间离散

2.4.1 Navier-Stokes方程的空间离散

2.4.2 S-A湍流模型的空间离散

2.5人工耗散

2.6隐式时间推进

2.7加速收敛方法

2.7.1当地时间步长

2.7.2隐式残值光顺

2.8 DES方法

第三章算例分析

3.1程序验证

3.1.1算例一NACA0012翼型高雷诺数下两种湍流模型的模拟比较

3.1.2算例二NACA0012翼型高马赫数高雷诺数流动的模拟

3.1.3算例三NACA0015翼型低雷诺数流动的模拟

3.1.4小结

3.2合成射流主动流动控制的数值模拟

3.2.1作动器位置的影响

3.2.2射流出口速度的影响

3.2.3作动频率的影响

3.2.4射流出射角的影响

3.2.5作动器初始相位的影响

3.2.6小结

第四章结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的论文