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ANSYS模拟某前掠翼飞机的CFX气动

2013-05-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

本文通过介绍ANSYS CFX 对某前掠翼飞机的气动模拟过程,进一步揭示CFX 在复杂气动问题模拟方面的技术优势。本次模拟的结果都和试验进行了对比,不同的湍流模型、不同的网格尺度的对比结果,相信会对关心气动计算的研究者提供有益的帮助。

ANSYS CFX 作为第二代的商业CFD 软件,其主要特点已经被国内外许多用户所熟知。如对复杂问题有着惊人的收敛速度(大多数模拟在一百个迭代步左右收敛),这主要得益于CFX 的全隐式耦合多网格算法;默认的高阶精度插分格式以及独有的湍流模型处理方法一直处于领先地位,使得CFX 的模拟结果能够保证精度的要求;此外,其领先的流固耦合算法也是当前许多用户关心的问题之一;CFX 对网格的要求很低,差质量的网格同样能获得很好的收敛性能,这是因为CFX 采用了多面体网格技术(基于有限元法的有限体积法)。

前掠翼飞机的气动布局较为复杂,前后翼距离很近,前翼产生的尾涡对后翼的影响很大。尤其在大攻角时,机翼上部会生成复杂的涡系,这对计算也提出了较高的技术要求。

为了对比不同网格尺度对计算结果的影响,本次模拟对前掠翼飞机划分了三种不同网格密度进行计算。采用ANSYS ICEM CFD 划分了全六面体网格,网格数量分别为154805(粗网格), 1238440(中网格),9907520(密网格)。网格分布见图1、2。

本次计算所采用的雷诺数为0.46e6,马赫数为0.118,攻角从0 度到45 度。计算采用了CFX 中独特的SST 湍流模型,作为对比要求,也给出了常见的k-epsilon 和k-omega的模拟结果。

计算结果对比分析

图3 是试验结果于ANSYS CFX 三种湍流模型的模拟结果对比。整体来看,CFX 对大迎角问题计算得很好,大迎角气动失速问题是许多气动工作者关心的问题之一。另外,小迎角时,三种湍流模型计算结果都和试验结果相符合;当迎角大于20 度时,k-epsilon 模型计算的升力系数偏高,而k-omega 模型计算的升力系数偏低;此时,相对来讲,SST 湍流模型计算结果符合的最好。在整个测试攻角范围内都和试验值吻合得很好。

图4 的力矩系数则进一步显示出SST 湍流模型对所有迎角范围内的计算结果都和试验吻合得很好,而k-epsilon 模型和k-omega 模型计算的力矩系数都在大迎角时偏低。

上述的计算是在中等网格尺度下进行的,为了比较不同网格尺度对计算结果的影响,我们对比计算了三种网格尺度下的结果。

图5 显示了三种网格尺度下,利用SST 湍流模型计算的升力系数比较,可以看出,在失速前,三种网格尺度计算的升力系数差别不大,和试验值都能很好地吻合;而在失速后,密网格的计算结果则要明显好于其它两种网格的计算结果。

图6 表明,对力矩的计算结果要符合得更好,三种网格的计算结果差别不大,都和试验值吻合。

因此,如果只计算相对小迎角的工况,可以不用对网格做太大的加密,就能保证有吻合的升力系数和力矩系数结果。而当迎角大于失速迎角时,有必要采用密网格,已捕捉此时翼面上的分离流动。

收敛性能

飞机全机气动计算的主要障碍之一是计算机资源的消耗较大,因此,高效率的收敛性能显得非常重要。ANSYS CFX 在本次计算中,所有的工况都在100 步以内就迭代收敛了。这种快速的收敛特性相信国内许多用户已经有亲身体会了。图7 显示的是动量方程的收敛曲线,在60 步就基本收敛。图8 是本次计算的升力收敛曲线。