網(wǎng)格對翼型氣動性能數(shù)值模擬的影響

1、網(wǎng)格對翼型氣動性能數(shù)值模擬的影響中文:翼型的氣動性能數(shù)值模擬是翼型氣動性能分析和氣動優(yōu)化設計的重要基礎。研究表明翼型氣動力系數(shù)和流場的計 算精度受計算網(wǎng)格的影響很大。針對網(wǎng)格劃分方法，運用流體力學軟件Fluent進行翼型的氣動性能數(shù)值模擬，研究對翼型 流場及氣動特性計算結果影響顯著的計算網(wǎng)格關鍵參數(shù)。并進行進一步研究,得到具體因素對升力系數(shù)計算值準確性的 具體影響。關鍵詞：網(wǎng)格劃分;網(wǎng)格質(zhì)量;數(shù)值精度；升力系數(shù)；CFD1緒論1.1研究意義流體力學中的定量分析一般需要通過建立控制方程來找 尋具有特征的離散數(shù)值解,得到不同網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值(如壓 力、速度等)，即數(shù)值解七同時，分析域內(nèi)網(wǎng)格的品質(zhì)直接

2、決定 了數(shù)值解與計算所得氣動參數(shù)的精度。通過使用Fluent對不 同網(wǎng)格模型的劃分進行翼型的氣動性能數(shù)值模擬，研究不同的 計算網(wǎng)格關鍵參數(shù)對翼型流場及氣動特性計算結果的顯著影 響，為翼型氣動性能數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格設計提供一定的 參考。1.2研究理論依據(jù)CFD (Computational Fluid Dynamics)，即計算流體動力學，是 現(xiàn)代流體力學的基礎，計算機科學與數(shù)值分析的產(chǎn)物,具有良 好的發(fā)展前景。以計算機為工具，將各離散化的數(shù)學分析法應 用于實際工程問題模型化、數(shù)值求解和分析研究，以解決各類 實際問題7。具體步驟如圖1。CFD常規(guī)分析一般由前處理、求解和后處理三部分構成。 其中前

3、處理包括模型的建立、體/面網(wǎng)格的生成，以及后期對模 型的計算域以及邊界、約束條件的設定等同。其中，邊界條件的 設定與網(wǎng)格的生成占整個前處理周期的80%。因此，網(wǎng)格的高 質(zhì)量將會顯著提高后續(xù)的計算精度，同時加快收斂速度，o圖11.3主要研究內(nèi)容研究表明翼型氣動力系數(shù)和流場的計算精度受計算網(wǎng)格 的影響較為明顯。根據(jù)各個網(wǎng)格點之間的相鄰關系，分為結構 化、非結構化網(wǎng)格與混合網(wǎng)格三種，本文主要研究結構化網(wǎng)格 的影響因素對整體精度的影響。網(wǎng)格的計算與生成是分析流 體力學中各種案例的一個主要的部分,同時也是促進CFD后期 在工程中得到實用化的一個重要原因。當然，網(wǎng)格的質(zhì)量高低 也在后續(xù)顯著影響計算結果的精

4、度。研究不同的計算網(wǎng)格關 鍵參數(shù)對翼型流場及氣動特性計算結果的影響,為翼型氣動性 能數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格設計提供一定的參考。2研究主要過程2.1研究方法選用對翼型的升力系數(shù)計算作為研究對象，得到影響網(wǎng)格 質(zhì)量的多個因素，并確定要研究的因素:number of divisions，偏 移程度，以及求解計算的范圍，其中翼型的計算邊界為半圓與 長方形（如圖2所示），因此number of divisions（網(wǎng)格劃分數(shù)目） 有1 ine直線，arc圓弧兩部分構成。圖2網(wǎng)格邊界確定影響因素后，使用控制變量法，只改變所研究因素，適 當增加或減少，得到該因素增加或減少所導致升力系數(shù)計算值 的變化趨勢。2.2

5、計算機網(wǎng)格對翼型氣動特性數(shù)值模擬的研究影響1）提出對翼型氣動性能數(shù)值模擬研究影響顯著的計算網(wǎng) 格相關參數(shù),在實驗對比以及團隊討論確定研究的主要幾個因 素，確定研究對象為number of divisions，bias，求解范圍。其次 對多個進行因素單獨分析,在只改變其中一個因素的情況下， 設計多組數(shù)值模擬實驗確定該計算網(wǎng)格參數(shù)對于氣動性能的 影響，得到改變因素對翼型氣動性的影響趨勢，通過不斷調(diào)整 參數(shù)，將計算結果與實驗結果的對比分析來確定適合于翼型氣 動特性模擬的計算網(wǎng)格要求。2）由于選用翼型案例的求解范圍為半圓與長方形結合（如 圖1），因此number of Divisions由arc與li

6、ne組成，控制單一變 量,得到升力系數(shù)的計算值變化趨勢。本次研究以借鑒的案例 為原點，arc和line的間隔數(shù)數(shù)值以25為間隔，從50到250設置 了 9組，18個實驗，求出只改變arc或line的個數(shù)時，升力系數(shù)發(fā) 生的變化。3）考慮偏移程度。偏移程度直接影響網(wǎng)格的疏密,在結構 不同部位使用偏移程度大小不同的網(wǎng)格,可有效減少整體的網(wǎng) 格數(shù)，間接減少整體計算量。同時，在計算數(shù)據(jù)梯度變化較大 位置（如應力集中處）,以此作為根據(jù)增加網(wǎng)格的密度，從而更 加有效地反應受力處數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。這樣,整個結構便被疏 密不同的網(wǎng)格所劃分。在范圍固定的前提下，把偏移因數(shù)分別 改為150、200、250、300,

7、得到影響計算精確度趨勢。4）翼型的計算求解范圍對翼型案例計算精度具有影響，在 網(wǎng)格總數(shù)一定的情況下，如果單個網(wǎng)格計算的范圍變大，那么 整體的計算范圍也會變大，因此計算精度大幅下降，但計算求 解范圍越大，單個網(wǎng)格大小不變情況下，計算精度會上升，同時 網(wǎng)格數(shù)量會大幅增加，求解的時間也大幅增加。本次實驗的計 算范圍從半徑12.5m開始，每次翻倍，最多達到200m，共進行了 5次實驗，得到了范圍對計算精度的影響。5）前文提出，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響整體計算精度，即網(wǎng)格幾 何形狀的合理性。網(wǎng)格質(zhì)量過低，計算結果可能偏差較大。可 使用內(nèi)角、細長比、節(jié)點位置偏差等指標作為基準進行比較分 析。按一般常理，在研究的主

8、要部位，應該保證網(wǎng)格的高質(zhì)量, 即各邊相差不大,網(wǎng)格面不過于扭曲,否則即便是只有個別質(zhì) 量很低的網(wǎng)格，也會引起較大局部誤差，從而影響整體計算 精度。2.3研究成果準確的數(shù)值計算是翼型氣動性能分析和氣動優(yōu)化設計與 分析的基礎，而可靠的計算網(wǎng)格是準確數(shù)值計算的關鍵。針對 目前高計算精度普遍偏低的問題,本文通過對高速層流翼型的 計算網(wǎng)格進行研究,基于可靠的轉捩模型，找出了能顯著提高 高速層流翼型計算精度的網(wǎng)格分布要求,包括以下幾點。1）網(wǎng)格劃分的個數(shù)，以及網(wǎng)格密集程度，計算的范圍對升 力系數(shù)的計算精度都有較大影響。提升計算精度的關鍵在于 網(wǎng)格劃分的好壞，與各個因素密切相關。2）根據(jù)圖3所示，與實驗數(shù)

9、據(jù)Gregory & O Reilly, NASA R&M 3726 ,Jan 1970相比，當網(wǎng)格數(shù)皆為40000時，計算超過一 定范圍時，計算范圍為50米的升力系數(shù)更接近實驗數(shù)值。而 對比同一計算范圍，網(wǎng)格數(shù)越多，計算結果更接近實驗數(shù)據(jù)。3）如圖4顯示，當偏移程度增加時，計算結果接近實驗數(shù) 據(jù);當超過一定范圍時,計算結果隨著偏移程度增大，計算數(shù)據(jù) 越來越偏移實驗數(shù)據(jù)。圖3擴大范圍計算精度比較圖圖4增大偏移程度計算精度比較圖一畫一圖3擴大范圍計算精度比較圖圖4增大偏移程度計算精度比較圖一畫一7 5米范圍5 0來范圍3結論網(wǎng)格的數(shù)量的多少和大小對計算精度有很大影響，一般情 況下，網(wǎng)格數(shù)越多，計

10、算量越大，計算精度越大。在計算范圍一 定的情況下，網(wǎng)格數(shù)增加，計算精度趨于穩(wěn)定。在對于翼型的 計算中，求解范圍為12.5m時,網(wǎng)格數(shù)較小,計算精度增高,當格的研究仍然具有更多的價值以及值得更多的努力。網(wǎng)格數(shù)達到100000左右時，計算精度不i!而磅怎珈算范 圍的大小，需要根據(jù)實際情況，設定計算范闈，巾網(wǎng)格數(shù)越大 計算精度越大，所以需要根據(jù)硬件設備確在做化的i算精度. 找到其中的平衡點進行分析。網(wǎng)格數(shù)為40000時，在僅考慮偏移:程度的情況I*，Bill factor為160左右時，計算精度最高，時時，在并大偏移程度時. 我們需要注意網(wǎng)格的質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)世左的情況K. i算機仃可 能不執(zhí)行計算，而旦在需要計算精度有的蟲我部位仃個質(zhì) 量差的網(wǎng)格都會影響整體的計算粕度-I人1此是否增加偏移程度 極大程度上取決于網(wǎng)格的質(zhì)量。針對翼型氣動性的數(shù)值模擬研究,i算范闈越大J Ci算 精度越小。當范圍為10m時，計算的范闈以小，計算頃的K 域過于狹窄，計算結果不夠嚴謹，血i 1爪町，過大時巾計 算機計算能力有限，區(qū)域過于廣泛,計