ANSYS模擬某前掠翼飛機的CFX氣動

2013-05-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文通過介紹ANSYS CFX 對某前掠翼飛機的氣動模擬過程,進一步揭示CFX 在復雜氣動問題模擬方面的技術優勢。本次模擬的結果都和試驗進行了對比,不同的湍流模型、不同的網格尺度的對比結果,相信會對關心氣動計算的研究者提供有益的幫助。

ANSYS CFX 作為第二代的商業CFD 軟件,其主要特點已經被國內外許多用戶所熟知。如對復雜問題有著驚人的收斂速度(大多數模擬在一百個迭代步左右收斂),這主要得益于CFX 的全隱式耦合多網格算法;默認的高階精度插分格式以及獨有的湍流模型處理方法一直處于領先地位,使得CFX 的模擬結果能夠保證精度的要求;此外,其領先的流固耦合算法也是當前許多用戶關心的問題之一;CFX 對網格的要求很低,差質量的網格同樣能獲得很好的收斂性能,這是因為CFX 采用了多面體網格技術(基于有限元法的有限體積法)。

前掠翼飛機的氣動布局較為復雜,前后翼距離很近,前翼產生的尾渦對后翼的影響很大。尤其在大攻角時,機翼上部會生成復雜的渦系,這對計算也提出了較高的技術要求。

為了對比不同網格尺度對計算結果的影響,本次模擬對前掠翼飛機劃分了三種不同網格密度進行計算。采用ANSYS ICEM CFD 劃分了全六面體網格,網格數量分別為154805(粗網格), 1238440(中網格),9907520(密網格)。網格分布見圖1、2。

本次計算所采用的雷諾數為0.46e6,馬赫數為0.118,攻角從0 度到45 度。計算采用了CFX 中獨特的SST 湍流模型,作為對比要求,也給出了常見的k-epsilon 和k-omega的模擬結果。

計算結果對比分析

圖3 是試驗結果于ANSYS CFX 三種湍流模型的模擬結果對比。整體來看,CFX 對大迎角問題計算得很好,大迎角氣動失速問題是許多氣動工作者關心的問題之一。另外,小迎角時,三種湍流模型計算結果都和試驗結果相符合;當迎角大于20 度時,k-epsilon 模型計算的升力系數偏高,而k-omega 模型計算的升力系數偏低;此時,相對來講,SST 湍流模型計算結果符合的最好。在整個測試攻角范圍內都和試驗值吻合得很好。

圖4 的力矩系數則進一步顯示出SST 湍流模型對所有迎角范圍內的計算結果都和試驗吻合得很好,而k-epsilon 模型和k-omega 模型計算的力矩系數都在大迎角時偏低。

上述的計算是在中等網格尺度下進行的,為了比較不同網格尺度對計算結果的影響,我們對比計算了三種網格尺度下的結果。

圖5 顯示了三種網格尺度下,利用SST 湍流模型計算的升力系數比較,可以看出,在失速前,三種網格尺度計算的升力系數差別不大,和試驗值都能很好地吻合;而在失速后,密網格的計算結果則要明顯好于其它兩種網格的計算結果。

圖6 表明,對力矩的計算結果要符合得更好,三種網格的計算結果差別不大,都和試驗值吻合。

因此,如果只計算相對小迎角的工況,可以不用對網格做太大的加密,就能保證有吻合的升力系數和力矩系數結果。而當迎角大于失速迎角時,有必要采用密網格,已捕捉此時翼面上的分離流動。

收斂性能

飛機全機氣動計算的主要障礙之一是計算機資源的消耗較大,因此,高效率的收斂性能顯得非常重要。ANSYS CFX 在本次計算中,所有的工況都在100 步以內就迭代收斂了。這種快速的收斂特性相信國內許多用戶已經有親身體會了。圖7 顯示的是動量方程的收斂曲線,在60 步就基本收斂。圖8 是本次計算的升力收斂曲線。