重叠网格技术及在复杂弹箭流场中的应用

论文摘要

随着计算流体力学（CFD）的飞速发展,数值模拟在实际工程应用中发挥着越来越重要的作用,但对于三维复杂外形粘性流动的数值计算,如果仍然使用高质量的分区对接网格,其难度会大大增加。重叠网格法通过将物理区域分解为多个易于简单结构网格生成的子域,简化了网格的生成,是目前CFD网格技术的重要研究方向。因此重叠网格技术研究具有重要的应用价值。本文的主要工作研究基于结构网格的重叠技术,目的是发展适合复杂弹箭流场模拟的重叠网格计算程序,其主要研究内容包括以下几方面：本文首先研究了所采用的控制方程和数值求解方法。控制方程采用基于薄层假设的定常可压缩N-S方程,空间离散采用有限体积方法,无粘通量项的离散采用迎风型通量差分分裂格式（FDS）,时间推进采用隐式近似因子化法,湍流模型采用Spalart-Allmaras一方程模型,并利用多重网格法加速解的收敛。其次,研究了基于结构网格的重叠网格方法。主要研究内容包括子域网格生成方法、洞边界搜索、边界信息插值、多重网格法的应用、重叠域的大小、插值对数值计算全局精度的影响以及数值算法的修正等。接下来,验证重叠网格方法的可行性。采用经典的NACA0012翼型、某三段翼型、M6机翼以及平板横向喷流等算例进行流场数值模拟,并与对接分区计算结果及实验结果进行比较,验证了算法的可靠性。最后,对弹箭横向喷流流场进行了数值模拟。通过对超声速下某翼身组合体横向喷流干扰流场进行数值模拟,研究了喷流流场的特性和干扰效应对气动性能的影响,并与实验结果进行对比,验证了本文所发展的重叠网格技术具有一定的实际工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表清单
• 注释表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 结构重叠网格技术的发展及其研究现状
• 1.3 本文主要的研究工作
• 2 N-S方程数值求解方法
• 2.1 控制方程的无量纲化
• 2.1.1 一般流场变量
• 2.1.2 时间和时间步长
• 2.2 控制方程
• 2.3 控制方程的空间离散方法
• 2.3.1 无粘项离散
• 2.3.2 通量限制器
• 2.3.3 通量差分分裂格式
• 2.3.4 粘性项离散
• 2.4 控制方程的时间推进方法
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 无滑移物面边界条件
• 2.5.2 远场边界条件
• 2.5.3 喷口入流边界条件
• 2.5.4 对称边界条件
• 2.5.5 奇性轴边界条件
• 2.5.6 对接边界条件
• 2.6 湍流模型
• 2.7 加速收敛措施
• 3 结构重叠网格方法
• 3.1 结构网格生成技术
• 3.2 重叠网格方法
• 3.2.1 洞边界
• 3.2.2 外法矢N的确定
• 3.2.3 重叠网格插值方法
• 3.2.4 重叠区外边界
• 3.2.5 基于多重网格方法的重叠网格
• 3.3 混合网格的重叠域
• 3.4 全局精度
• 3.5 数值解的修正
• 4 验证算例
• 4.1 NACA0012翼型粘性绕流
• 4.2 某三段翼型粘性绕流
• 4.3 M6机翼跨声速粘性绕流
• 4.4 平板横向喷流流场数值模拟
• 4.5 本章小结
• 5 结构重叠网格法在弹箭横向喷流流场中的应用
• 5.1 弹体外形及流场计算条件
• 5.1.1 弹体外形
• 5.1.2 计算条件
• 5.2 网格生成策略及重叠网格处理
• 5.3 计算结果分析
• 5.3.1 两种网格计算结果对比
• 5.3.2 流场结构
• 5.3.3 压力平台效应
• 5.3.4 力放大因子和干扰力矩系数
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献