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近地/海运动过程中的空气动力学分析

顾璇  
【摘要】:当有翼飞行器,如导弹、飞机等在低高度飞行和在起降过程中,由于地/海面的存在,会受到地面效应的影响,升力提高,阻力降低,飞行器的升阻比增大。如果近海面运动,波浪高度和频率等更会使飞行器表面的压力分布产生变化,波浪形状和运动也会因飞行器产生的压力场而改变,进而反作用于飞行器,从而对飞行器的气动特性造成影响,使其表现出不同于在自由空间的气动特性,进而影响到飞行器飞行的稳定性和安全性。 本文在国内外学者研究成果的基础上,结合理论分析和数值研究的方法,主要完成以下工作: 首先对二维翼型进行受力分析,并结合Spalart-Allmaras (S-A)模型、标准k-ε模型和SST k-ω湍流模型,建立相应的控制方程组进行求解。壁面采用壁面函数法进行处理。确定了二维翼型和飞行器受力和力矩的计算方法,奠定了后面计算的基础。 其次,对NACA0015翼型不同离地高度和不同攻角时的气动力特性采用标准k-ε模型和壁面函数进行了计算。并对计算模型进行了修正,壁面采用混合壁面的处理方法,解决了小离地高度情况下计算值与实际情况严重不符的问题,大大减小了计算误差。在此基础上,计算了NACA0015对称翼型和NACA0413不对称翼型在不同雷诺数情况下,不同离地高度和攻角时的气动特性参数,并确定了不同情况下的临界相对离地高度。 然后,在翼型近地情况计算的基础上,结合网格重划的动网格技术,分析了NACA0015翼型在近波浪壁面运动过程中的非定常气动特性。研究了翼型近水高度、波浪壁面波长和振幅等因素对翼型气动特性的影响规律。 最后,采用动网格的方法,计算了某型飞机在自由流中和在不同情况下飞机经过平台过程中的气动特性参数,通过将自由流中数据和文献中的实验数据进行对比,验证了所使用计算模型的合理性;分析了离台高度和飞机攻角对近平台运动的飞机气动特性的影响规律,并确定了该型飞机的临界离台高度。 本文对二维翼型和某型飞机在近地/海运动过程中的气动特性进行了较多的探索性研究和空气动力学分析,进一步完善了相应的基础理论。所得结论可以为提高飞行器近地/海运动、甲板起降、逃逸复飞等过程中的稳定性和安全性,以及地效飞行器的设计等提供一定的参考。


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