基于Fluent的多翼型低速气动特性比较.docx

第 ３２ 卷 第 ６ 期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｆｅｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３２ Ｎｏ．６基 于 Ｆｌｕｅｎｔ的多翼型低速气动特性比较 查 健 锐 ， 杨 殷 创 ， 钱燕（东南大学 能源与环境学院 ，江 苏 南 京２１１１８９）［摘要 ］ 利用计算流体力学软件 Ｆｌｕｅｎｔ对 较适用于小型无人机的 ＮＡＣＡ０００９、ＮＡＣＡ６４０９、ＮＡＣＡ６４Ａ０１０ 三 种 翼 型 进行了二维外部流场的数值模拟 ，采 用 Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ计算模型求解几种翼型在不同攻角 、不同雷诺数下的速度 、压 力 分 布 ，进而对不同翼型在不同攻角下的气动特性进行研究 ，为小型无人机的设计提供一定的理论依据 。［关 键 词 ］ 计 算 流 体 力 学 ；翼 型 ；低 雷 诺 数 ；气 动 特 性 ；无 人 机 设 计［中 图 分 类 号 ］Ｖ２１１．４１［文 献 标 识 码 ］Ａ［文 章 编 号 ］１６７４－２２７３（２０１４）０６－００３８－０６前 言随 着 电 子 、材 料 技 术 的 进 步 ，以 及 军 事 、勘 探 等 领 域 的 发 展 需 要 ，小 型 无 人 机 发 展 迅 速 。美 国 陆 军 、海 军 、国 防 高 级 研 究 计 划 局 （ＤＡＲＰＡ）以 及 航 空 工 业 界 正 是 看 到 微 型 无 人 机 尺 寸 太 小 ，限 制 了 有 效 载荷 和 性 能 ，因 而 开 始搞能够供单兵 用的便携式小型 无 人 机（Ｍｉｎｉ—ＵＡＶ），小 型 无 人机的技术难度 相 对 较 小 ，也 在 一 定 程 度 上 克 服 了 “微 型”带 来 的 缺 点 ，因而 更 现 实 、更 适 用 。然 而 ，由 于 微 型无人机尺寸小 、速 度 低 ，易 受 周 围 环 境 变 化 的 影 响 ，选择合适的翼 型能显著提高无 人 机 的 飞 行 性 能 。 翼型 对无人机 的空气动力特性 、飞 行 时 间 、飞 行 稳 定 性 等 有 很 大 的 影 响 ，研 究 不 同 翼 型 的 气 动 特 性 有 助 于 选 择 最 佳 翼 型 。大 多 数 小 型 无人 机 的 巡 航 速 度 是 给 定 的 ，在这种工作状态下 ，航 程的 最 大 值 取 决 于 升 阻 比 Ｃｌ／Ｃｄ 的 大 小 。 因 此 ，小 型 无 人 机 的 气 动 效 率 取 决 于 机 翼 的 升 阻 比 。尽 量 对 翼型气 动布局设计 优 化能使小 型 无人机气动性能得到 优 化 ，进 一 步 满 足飞行器的多方 面 性 能 要求 。 目 前常用 的研究手段 是 应用计算 流 体力学软件对翼型的 外 部 流 场 进 行 数 值 模 拟 。本 文 应用计算流体力学商 用 软 件 Ｆｌｕｅｎｔ６．３ 对 ＮＡＣＡ０００９、ＮＡＣＡ６４０９、ＮＡ－ ＣＡ６４Ａ０１０三种 翼 型在不同攻角下的气动 特 性 进 行 计 算 机 仿 真 ，利 用 Ｇａｍｂｉｔ 建 立 二 维 数 值 计 算 模 型 ， 指 定 边 界 条 件 类 型 并 划 分 网 格 ，然 后 利 用 Ｆｌｕｅｎｔ 软 件 进 行 性 能 数 值 分 析 计 算 ，得出翼型性能参数 ，并 对 其 进 行 分 析 研 究 ，为 小 型 无 人 机 翼 型 的 改 良 提 供依 据 。１建模与数值计算方法 本 文 选 取 了 ３ 种 典 型 的 低 雷 诺 数 翼 型 ：ＮＡ－ ＣＡ６４０９、ＮＡＣＡ０００９、ＮＡＣＡ６４Ａ０１０ 作 为 研 究 对 象 ，在 Ｇａｍｂｉｔ（建 立 几 何网格的流体力学前置处理 器）软件中对翼型进 行 建 模 ，完 成 ２Ｄ 网 格 划 分 。 采 用 稳 态 分 离 求 解 器 ，使用专门为航空航天应用所设 计 的 Ｓｐａｌａｒｔ－Ａｌｌｍａｒａｓ模 型 计 算 ，在 Ｆｌｕｅｎｔ软 件 中 进 行 数 值 模 拟 ，得到关于升力 系 数 、阻 力 系 数 、压 力 分 布 、速 度 矢 量 分 布 、壁面切应力分布 、壁 面 压 力 分 布 、残差收敛等的结果 。本 文 所 使 用 的 ＳＡ 湍 流 计 算 模 型 是 由 Ｐ．Ｓｐａｌａｒ 和 Ｓ．Ａｌｌｍａｒａｓ于 １９９４年 提 出 的 一 种 专 为 航 空 航 天 领 域研究壁面边界流动的 单 方 程 湍 流 数 学 模 型 ，ＳＡ 湍 流 模 型 相 比 较 于其他湍流计算模型而言 ，更 适 用 于 求解带有分离特性的非平 衡 湍 流 运动 和边 界层受 粘 性 影 响 的 区 域 ，具 有 易 收 敛 和 收 敛 快 的 优 点 ，在 计 算 受制于压力梯度的边界层 流 动 上 取得 了较 好的结 果 ，被 普 遍 应 用于流体机 械的数值计算中 。 其 输