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单向及双向流固耦合方法在无人机翼的应用分析.docx
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2023-02-23
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单向及双向流固耦合方法在无人机翼的应用分析.docx
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大展弦比机翼多应用在高空长航时无人侦察飞行器,民用方面常见于气象预测、环境监控
以及中继信息等,军事领域则通常应用于空中情报收集、监视和侦察以及空中打击等
[1]
。
这类高空长航时无人机需具备在临近空间长时间巡航战备能力,故机翼通常被设计为轻质
柔性结构。另一方面,无人机在上升到任务高度前(如气流平稳的平流层)需要经过气流紊乱
的对流层,飞行器将面临气动弹性稳定性问题,要求结构具有一定的强度和刚度,使飞行器在
飞行过程中拥有足够的安全裕度
[2]
。大展弦比柔性结构在气动载荷作用下产生大变形导致结构
几何非线性,使得传统的线性假设不再适用于这类问题的分析。同时,柔性结构会导致颤振临
界点进一步降低,气动弹性失稳不可忽视。要分析与解决上述问题,需结合结构的弹性振动方
程与流体运动方程求解,这就是流固耦合分析方法
[3]
。
针对这一复杂的 2 种介质之间相互作用问题,国内外学者开展了一系列理论研究与试验验
证。柳兆伟
[4]
针对大展弦比大挠性机翼流固耦合开展数值分析,研究了流体与结构弱耦合计算
的关键技术与难点,分别采用单向耦合和双向耦合的方法,对大展弦比大挠度机翼流固耦合问
题进行了静态和动态分析。阮远
[5]
以复合材料潮流能涡轮叶片为研究对象,进行铺层方式及流
固耦合研究,分析了不同铺层方式对叶片固有振动特性的影响并进行单向流固耦合分析。研究
认为,叶片变形量较小,对流场中流体的运动的干扰不大,只进行了稳态分析。邓艳波
[6]
针对
风力机翼型研究了其气动性能并利用 Ansys-CFX 开展流固耦合分析,结果表明,设计的流场
模型可以较为准确地反映流场实际流动情况;叶尖参考点位置振幅不断衰减,说明叶轮在设计
工况下是气弹稳定的。
马艳峰等
[7]
采用流固耦合方法对大展弦比机翼开展了非线性颤振特性分析。结果显示:颤
振速度随攻角的增大呈现出先略微增大而后减小的趋势,结构非线性给大展弦比机翼颤振带来
不利影响,传统的线性分析方法对于大展弦比机翼不适用。赵林建
[8]
建立了一种求解直升机旋
翼气弹耦合特性的流固耦合算法,进行了在纯离心力、无升力旋转和有升力悬停状态下的流固
耦合分析。文中未考虑桨叶弹性变形对流场的影响,得到的应力和变形情况与实际桨叶在流场
中变形和应力存在些许差异。
渠晓溪
[9]
设计了一种复合材料结构机翼,并通过 ANSYS-Fluent 软件实现了单向流固耦合
分析,结果与全金属材料机翼作比较。但在研究中只做了静力学分析,并未进行机翼的固有振
动特性和颤振分析。仲继泽等
[10]
为准确预测机翼颤振边界,发展了一种基于流固单向耦合的能
量方法,结果显示,计算得到的颤振边界与实验值吻合,验证了算法的正确性。
本文基于 ANSYS-CFX 数值计算方法完成了复合材料机翼大攻角下单向稳态流固耦合、
单向瞬态流固耦合与双向流固弱耦合分析,对机翼的固有振动特性以及特定工况下流场和机翼
表面压力分布、结构稳态和瞬态响应进行了系统的研究。通过几种分析方式的结果对比,说明
上述分析方法的差异性与必要性。
1. 流固耦合基本理论
1.1 流体控制方程
流体在流动时遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律,混合不同组分的流体系
统还将遵循组分守恒定律。一般的可压缩牛顿流体遵循的守恒定律可以通过以下控制方程描
述。
质量守恒方程:
∂ρf∂t+∇⋅(ρf\boldsymbolv)=0∂ρf∂t+∇⋅(ρf\boldsymbolv)=0
动量守恒方程:
∂ρf\boldsymbolv∂t+∇⋅(ρf\boldsymbolv\boldsymbolv−\boldsymbolτf)=\boldsymbolff∂ρf\boldsymbolv∂t+∇⋅(ρf\boldsymbolv\boldsymbolv−\boldsymbolτf)=\boldsymbolff
式中:t 为时间;f
f
为流体体积力矢量;ρ
f
为流体密度;v 为速度矢量;τ
f
为剪切力张量,
\boldsymbolτf=(−p+μ∇⋅\boldsymbolv)I+2μ\boldsymbole\boldsymbolτf=(−p+μ∇⋅\boldsymbolv)I+2μ\boldsymbole
其中:p 为流体压力;μ
为
动力黏度;e 为速度应力张量,
e=12(∇v+∇vT)e=12(∇v+∇vT)
能量守恒方程的总焓形式为
∂(ρhtot)∂t−∂p∂t+∇⋅(ρfvhtot)=∇⋅(λ∇T)+∇⋅(v⋅τ)+v⋅ρff+SE∂(ρhtot)∂t−∂p∂t+∇⋅(ρfvhtot)=∇⋅(λ∇T)+∇⋅(v⋅τ)+v⋅ρff+SE
式中:λ 为导热系数,S
E
为能量源项,h
tot
为流体部分总焓,ρ 为流体密度
,
T 为温度。
1.2 固体控制方程
根据牛顿第二定律,可导出固体部分的守恒方程:
ρsds..=∇⋅σs+fsρsds..=∇⋅σs+fs
式中:ρ
s
为固体密度,σ
s
为柯西应力张量,f
s
为固体体积力矢量, ds..ds.. 为固体域当地
加速度矢量。
能量守恒方程与流体相似:
∂(ρhtot)∂t−∂p∂t+∇⋅(ρsvhtot)=∇⋅(λ∇T)+∇⋅(v⋅τ)+v⋅ρfs+fT∂(ρhtot)∂t−∂p∂t+∇⋅(ρsvhtot)=∇⋅(λ∇T)+∇⋅(v⋅τ)+v⋅ρfs+fT
式中 fTfT 表示温差引起的热变形项:
fT=αT⋅∇TfT=αT⋅∇T
其中 α
T
表示与温度相关的热膨胀系数。
1.3 流固耦合方程
同理,流固耦合情况下,基本的守恒原则依然适用
[11-13]
,因此,流固耦合交界面处,流体
与固体应力( ττ )、位移(d)、热流量(q)、温度(T)等变量应满足相等或守恒条件,即
满足以下方程组(下标 f 和 s 分别表示流体和固体):
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪τf⋅nf=τs⋅nsdf=dsqf=qsTf=Ts{τf⋅nf=τs⋅nsdf=dsqf=qsTf=Ts
2. 结构建模与单向流固耦合
利用 Workbench 平台可实现流场与结构数据交换、模型前后处理以及不同模块之间的数
据共享
[14-15]
。图 1 为单向流固耦合分析的模块流程图,单向耦合仅将流场数据传递到结构上
去,求解结构静变形。虽然变形并不反馈回流场,不涉及到结构与流场的迭代,但在一定程度
上能够反映出结构变形的趋势。这种方法简单快捷,计算周期短,对于设计初期的结构性能计
算具有重要的意义。
图 1 单向流固耦合分析的模块流程
下载: 全尺寸图片
2.1 流体控制方程
基于某飞行状态(飞行攻角−16°,速度 20 m/s),在 Workbench 平台下,采用 Design
模块建立机翼流场几何模型,并设置边界条件:以无穷远处来流风速作为入口边界条件,压力
为标准大气压;采用自由出流作为出口边界条件;两侧面为对称边界条件。运用 ICEM 模块划
分流场网格,流场设置和翼型附近局部网格如图 2 所示,利用 CFX 软件进行流体分析。
图 2 流场设置与翼型附近局部网格
下载: 全尺寸图片
本文采用剪切应力传递(shear stress transport,SST)湍流模型建模。SST 模型翼型在
绕流、机翼失速等计算上具有更大的优势,其在流动分离和逆压梯度方面能够非常准确地预测
光滑自由壁面上的流动情况。同时,SST 模型也考虑了湍流剪切应力的作用,可以精确地模拟
出负压力梯度条件下流体的分离量。
计算完成后,通过后处理可以查看流场的流线和压力分布,如图 3 所示。图 4 为机翼沿展
向中间位置的截面压力分布与涡量云图。可以看出:翼型前缘为压力最大值处,上缘压力大于
下缘;翼型下表面附近出现大面积负压区,结合涡量云图判断此时机翼已经失速。
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- ࿐ཉི༗࿆几度雨停༗࿆ཉི࿐2024-05-22资源很不错,内容和描述一致,值得借鉴,赶紧学起来!
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