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《水洞收縮段流場的數(shù)值模擬及優(yōu)選》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、1998年6月北京航空航天大學(xué)學(xué)報June1998第24卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.24No3水洞收縮段流場的數(shù)值模擬及優(yōu)選吳宗成陳晏清萬曦(北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)與應(yīng)用力學(xué)系)摘要介紹了一種水洞非對稱收縮段的數(shù)值模擬方法和程序,計(jì)算采用有限體積預(yù)估修正格式求解非定常歐拉方程.結(jié)合具體水洞設(shè)計(jì)對幾種典型收縮曲線的三維流場進(jìn)行了計(jì)算和分析,給出了沿軸向的壓力分布,出口截面速度分布及分布的均勻性,選出最佳曲線,為水洞的設(shè)計(jì)提供依據(jù).結(jié)果表明:本文的計(jì)
2、算方法和程序?qū)τ谒椿蝻L(fēng)洞的三元收縮段,是有價值的分析和輔助設(shè)計(jì)手段.關(guān)鍵詞水洞;數(shù)值模擬;歐拉運(yùn)動方程;有限體積方法;最佳收縮曲線分類號V211.3收縮段是水洞或風(fēng)洞的重要組成部分,除對水流加速外,還會直接影響實(shí)驗(yàn)段的流場品質(zhì),如1計(jì)算方法湍流度、流動的均勻性等.收縮段的設(shè)計(jì)主要涉及1.1主控方程以下幾個參數(shù):收縮比(進(jìn)口面積和出口面積之用歐拉方程描述在任意馬赫數(shù)下的三維非定比),收縮段長度和收縮曲線形狀.其中收縮比由常無粘流動.忽略徹體力,歐拉方程可寫成實(shí)驗(yàn)段流場品質(zhì)要求和經(jīng)濟(jì)性之間協(xié)調(diào)確定;收G+F=0(1)縮段的長度則希望盡可能短;至于收縮曲
3、線的形t狀須使流動不發(fā)生邊界層分離和局部空穴.其中G為相關(guān)流動變量、u、v、w和e組成本文結(jié)合北航設(shè)計(jì)的PWT(低湍流度水洞)的向量,F是流動通量,如uv(x方向動量在y進(jìn)行矩形截面三維收縮段流場的計(jì)算和分析.方向的通量).PWT具有兩個實(shí)驗(yàn)段,前面的實(shí)驗(yàn)段為封閉輔助u實(shí)驗(yàn)段,后面的實(shí)驗(yàn)段為敞開上壁的主實(shí)驗(yàn)段.本G=v文在收縮段收縮比和長度固定的前提下,比較詳w細(xì)地研究了幾類收縮曲線的流場.weth目前大部分的收縮段流場的研究限于二維或uvw軸對稱情況,而實(shí)際收縮段往往是三維非軸對稱2u+puvuw的.對壓縮性較小的低速流動可以有兩種處
4、理方2riF=uvv+pvw法,大多數(shù)是把流動近似為不可壓流動,通過求解2[1]uwvww+p不可壓方程模擬流場;另一種方法是直接用可(e+p)u(e+p)v(e+p)w壓方程,求解過程中由于穩(wěn)定性的要求可能要克其中,能量e是單位體積內(nèi)能和動能的總和.服一定的數(shù)值困難,但求解方法相對成熟,如依賴2~q[2]現(xiàn)整e=e+時間的MacCormack預(yù)估修正法.本文采用的2是后一種方法,用三維非定常歐拉方程求解收縮q=ui+vi+wk段流場.為考察計(jì)算結(jié)果及分析粘性的影響,本文~e=cvT[3]與不可壓NS方程的計(jì)算結(jié)果做了對比分析.且有如下關(guān)系最后,用該方
5、法計(jì)算了不同的收縮曲線,給出了p12e=+q沿流向的壓力分布、出口截面速度分布、及其分布-12的均勻性.通過分析比較,選出水洞的最佳曲線,1.2差分格式以滿足設(shè)計(jì)要求.將方程(1)在一小體積V上積分,其表面面收稿日期:19971113第一作者女30歲講師100083北京316北京航空航天大學(xué)學(xué)報1998年積為S.同時將體積積分轉(zhuǎn)化為面積積分.可得GdV=-FdV=-nFdSVtVS其中n為表面S的外法線單位向量.若V很小,則體積V上的G值可用體心處的值來近似,即G1=-nFdS(2)tVS用MacCor
6、mack顯式預(yù)估修正法求解G.給定某圖1體積元積分示意圖一時刻的值G(t),由上述分析及式(2)可知,FG2算例及結(jié)果討論(t)和均可得到,為求G(t+t)分兩步對進(jìn)tt行.2.1算例時間相關(guān)三維非定常歐拉方程的預(yù)估修正求預(yù)估步(t+t)時刻G的預(yù)估值,記為解的方法,在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.本文采用上述G須使G!(t+t)=G(t)+t(3)tt方法,計(jì)算了第一、二收縮段的不同收縮曲線的流G!場.收縮曲線坐標(biāo)選取如圖2所示.收縮段上表面同實(shí)樣驗(yàn)也可得到F!(t+t)和;tt+t是平的,兩側(cè)和底部收縮.下面主要介紹第二收縮修正步速用外G和
7、G!取平.均值加得稱段.tttt+tG1GG!是后=場+對成(4)ta察vg計(jì)2tttt+t那么G的修正值通過下式求得GG(t+t)=G(t)+t分(布5)tavg在上面求解過程中,每個時間步方程(2)積分兩次,可表示為33SnFdS=!S+nFdS+!S-nFdS圖2收縮曲線表示參數(shù)示意圖k=1kk=1k(6)常用的收縮曲線有Witozinsky曲線,不同拐點(diǎn)上式中的F應(yīng)為體積元表面處的值,但我們知道位置的五次曲線和雙三次曲線.第二收縮段尺寸的是體心上的F,為避免直接插值,此處采用下面為:進(jìn)口面積=0.6
