三维内埋式弹舱流动特性及形状影响数值分析VIP专享VIP免费

第28卷第1期应用力学学报Vol.28No.12011年2月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSFeb.2011来稿日期：2010-06-03修回日期：2010-12-30第一作者简介：徐路，男，1988年生，西北工业大学航空学院，研究生；研究方向——计算流体力学。通讯作者：桑为民，E-mail：sangweimin@nwpu.edu.cn文章编号：1000-4939(2011)01-0085-05三维内埋式弹舱流动特性及形状影响数值分析徐路1桑为民1雷熙薇2(西北工业大学710072西安)1(中航工业第一飞机设计研究院710089西安)2摘要：采用多块结构化网格生成方法，基于三维雷诺平均N-S方程和SSTk-ω湍流模型，模拟了三维内埋式弹舱的流动特性。通过改变弹舱各壁面的倾角及宽深比，分析其对弹舱流动特性的影响，并研究了前缘锯齿对气动特性的影响。计算结果表明，在适当范围内：增大弹舱后壁倾角、减小侧壁倾角、增大宽深比可以改善弹舱流动特性；舱门前缘增加锯齿，有明显的减阻效果。关键词：N-S方程；SSTk-ω模型；三维内埋式弹舱；流动特性中图分类号：V211.3文献标识码：A1引言武器内埋式装载是新型战斗机设计的重要组成部分。这种装载方式可以减少雷达反射面，提高隐身能力，减少超音速飞行阻力，增强机动性，对飞机性能有着重大影响。弹舱流动性的研究对战斗机内埋式武器系统的设计具有十分重要的指导意义。弹舱的几何外形虽然简单，但是流动却很复杂，它涉及分离流、漩涡空气动力学、自由剪切层的不稳定性、声波与流场相互干扰等许多复杂问题[1]。长期以来,人们对弹舱流动进行了广泛的数值模拟和实验研究，取得了很多理论成果。依据长深比L/D将弹舱流动分为三种类型：开式流动(L/D<10)、闭式流动(L/D>13)、过渡式流动(10≤L/D≤13)[2]。文献[3]阐述了随着L/D增大或减小，弹舱流动类型转变的物理机理。在流动控制方面，人们使用了多种方法来改善弹舱的流动特性，如倾斜弹舱后壁面，在弹舱底部布置隔板和空管，在弹舱前缘布置绕流片，在弹舱前缘吹气等[2-4]。本文计算的三维弹舱，是战斗机内埋式武器舱的简化模型，通过改变弹舱各个壁面的倾角，以及宽深比W/D，分析其对弹舱流动特性的影响，并研究了舱门前缘增加锯齿对气动特性的影响。2计算模型2.1计算模型本文选取的计算模型是带有弹舱的简化机身半模，包含以下几种构型：在原始构型的基础上，弹舱后壁倾角分别增大15°、30°；弹舱前壁倾角分别增大10°、20°；弹舱侧壁倾角分别增大15°、减小15°；W/D分别取1.0、1.5（原始构型）、2.0的三种不同宽深比构型；在原始构型的基础上，弹舱上分别安装无锯齿舱门、锯齿形舱门，舱门分别开启90°、120°。弹舱后壁、前壁、侧壁倾角改变量分别记为δb、δf、δs，原始构型和弹舱壁面倾角改变量的定义如图1所示，其中侧壁向点划线方向偏转倾角增大，向虚线方向偏转倾角减小。图2为三种不同宽深比构型的弹舱对比图。86应用力学学报第28卷图1原始构型及弹舱壁面倾角改变量定义图图2不同宽深比构型的弹舱对比图2.2计算条件计算高度取11km（标准大气），自由来流马赫数M=1.5，压强p=22700Pa，温度T=217K，雷诺数Re=5.1×107，迎角α=0°。3数值计算方法3.1控制方程本文控制方程采用三维雷诺平均N-S方程，其量纲为一的表达式为()()()0FFGGHHQivivivtxyz∂+∂+∂+∂+++=∂∂∂∂其中：T[,,,,]QuvwEρρρρρ=是守恒变量向量；Fi、Gi、Hi为无粘项通量向量；Fv、Gv、Hv为粘性项通量向量[6-7]。离散方法采用有限体积法，粘性项采用二阶中心差分格式离散，无粘项采用Roe-FDS二阶迎风格式离散，时间推进采用多步龙格库塔显式时间方法。3.2边界条件和湍流模型边界条件：弹舱和简化机身表面采用无滑移绝热物面边界条件；对称面上采用对称边界条件；其余外边界采用压力远场边界条件。湍流模型：为了更好的模拟弹舱的复杂流动，湍流模型选择为SSTk-ω模型。SSTk-ω模型混合了k-ω模型和k-ε模型的优势，在近壁面处使用k-ω模型，而在边界层外采用k-ε模型。SSTk-ω模型包含了修正的湍流粘性公式，考虑了湍流剪切应力的效应，一般能更精确地模拟逆压梯度引起的分离点和分离区大小。3.3网格生成本文采用点对点对接的多块网格技术生成网格，靠近物面处采用O-O型网格拓扑结构，...