细长旋成体单孔位微吹气扰动控制的数值研究

论文摘要

本文以现代大迎角飞行器前体非对称背涡产生随机侧向力现象为研究背景，以一个尖拱形细长旋成体模型为研究对象，以数值模拟为主要研究手段，研究大迎角细长体的尾流场非对称背涡的空间结构。通过对N-S方程求解，详细研究了无侧滑条件下细长旋成体在大迎角情况下背风区附体和脱体涡系的空间演化规律，加深了对细长旋成体背风区非对称涡系空间模型以及涡系之间的相互干扰作用的认识，验证了单孔位微吹气扰动控制方法的有效性，得到一些吹气位置和吹气量与侧向力之间的响应关系。 介绍了计算网格连续性、均匀性及正交性优化方法，对优化前后的网格进行了比较。并应用有限体积法对三维N-S方程进行离散，用二阶迎风格式对N-S方程进行求解，同时给出了对边界条件的处理方法。讨论了一些工业湍流模型的特点及应用范围，并对各自的计算结果进行对比分析，找到合适的计算模型。 利用数值模拟方法，对尖拱形细长旋成体大迎角非对称流场进行了分析，讨论了人为扰动、压缩性、迎角等流场因素对整个流场的影响，以及它们和模型侧向力之间的响应关系。同时讨论了大迎角旋成体背涡生成和发展情况，给出该状态非对称涡的结构模型。 利用细长旋成体背涡结构对尖头部扰动非常敏感的特性，采用在尖头部施加单孔位微吹气扰动的控制方法对细长旋成体侧向力进行控制，通过对吹气孔位置、吹气量与非对称流场之间响应关系的研究，该控制方法是可行的，同时得到了吹气孔周向有效位置以及一些状态下吹气量与侧向力之间的响应关系。 通过本文的研究，加深了对细长体大迎角非定常流场的认识，证明了单孔位微吹气扰动控制方法简便、有效，为以后继续深入研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 大迎角非对称涡流动的重要性，及研究状况
• 1.2 相关研究的回顾
• 1.2.1 大迎角细长体非对称流动
• 1.2.2 大迎角前体涡控制技术
• 第二章 网格生成方法
• 2.1 代数方法生成初始网格
• 2.2 网格的优化
• 2.2.1 网格的正交优化
• 2.2.2 网格的加权平均光顺
• 2.3 网格生成实例
• 2.4 小结
• 附图
• 第三章 控制方程
• 3.1 微分形式的守恒型非定常 N-S方程组
• 3.2 积分形式的非守恒型非定常 N-S方程组
• 3.3 中心有限体积法
• 第四章 计算模型
• 4.1 湍流模式
• 4.2 湍流的近壁处理方法
• 4.3 边界条件
• 4.3.1 物面条件
• 4.3.2 远场边界条件
• 4.3.3 流入边界条件和流出边界条件
• 4.4 算例分析
• 附图
• 第五章 大迎角非对称涡流动分析
• 5.1 人为扰动对流场的影响
• 5.1.1 非对称绕流的形成与发展
• 5.1.2 非对称性的定量比较
• 5.1.3 扰动高度对涡流非对称性的影响
• 5.1.4 扰动施加的轴向位置对涡流非对称性的影响
• 5.2 压缩性对非对称涡结构的影响
• 5.2.1 非对称气动力的马赫数效应
• 5.2.2 非对称流场的马赫数效应
• 5.3 迎角对非对称涡结构的影响
• 5.4 非对称涡的结构模型
• 5.4.1 截面侧向力沿旋成体轴向的分布特性
• 5.4.2 模型头部非对称二涡起始发展区（A-B）和充分发展区（B-C）
• 5.4.3 非对称三涡区（C-E）及特征点 C和 D
• 5.4.4 非对称四涡区（E-G）、五涡区（G-I）及其特征点
• 5.4.5 类卡门涡区
• 5.5 小结
• 附图
• 第六章 单孔位微吹气扰动控制方法研究
• 6.1 单孔位微吹气扰动的有效周向位置
• 6.2 微吹气扰动对细长体截面侧向力的控制作用
• 6.3 迎角对微吹气扰动控制的影响
• 6.4 小结
• 附图
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文情况
• 致谢