摘要：现代战机不仅仅对速度提出了很高的要求，而且要求飞机具有优良的机动性。双三角翼构型或是边条/机翼的构型由于其背风面的涡流结构可以提供较普通三角翼更高的稳定性以及机动性成为现代战机和一些高速民航飞行器的常用布局之一。但是在高雷诺数大攻角情况下，双三角翼背风区的涡流运动十分复杂，伴有大范围分离，并且有很强的非线性效应。本论文采取DES策略对其进行求解。DES策略是Spalart提出的，被认为是一种工程运用上切实可行、能够准确预测大尺度分离的数值模拟策略。本论文通过采取DES策略对双三角翼背风区流动进行模拟，对其旋涡结构、涡破裂、气动特性以及新型横流涡现象进行浅析。主要分为以下几个部分：第一章分为两个部分，一方面以DES与其他湍流模拟策略的比较出发，介绍DES策略的构造，并对DES策略的进一步进展如DDES，IDDES等进行了介绍，另外讨论了DES策略在基础探讨以及工程运用中的进展近况。另一方面，以实验探讨和数值模拟两个方面介绍了双三角翼的探讨背景以及探讨近况。第二章主要对DES模拟计算中所采取的数值策略进行介绍。首先给出了两种DES策略SA-DES和ML-DES策略在直角坐标系下的构造历程。其次以三阶迎风偏置格式和五阶迎风偏置格式出发，进展出了可以通过自由参数调节格式π耗散（格式Fourier变换的虚部在约化波数为π时的耗散）的混合型三阶格式和四阶格式，在本章的最后，还介绍了一类面向工程运用的新型三阶格式。第三章主要是对一些经典低速不足的验证，包括层流算例，定常湍流算例以及非定常DES算例。在层流算例包括层流平板、方腔、圆柱等简单层流不足，对于定常湍流算例采取的是湍流平板，最后对于DES不足，采取了两个较为经典的不足进行计算验证。结果表明，算法不但对于定常层流和湍流不足有很好的模拟能力，对于圆柱绕流和大攻角翼型等这类带有大范围分离的流动现象也有较好的模拟能力。第四章主要利用DES策略对双三角翼背风区流场进行数值模拟，对于模拟得到的旋涡流场结构进行浅析。首先给出了不同攻角流场的表面极限流线的拓扑，并将10度攻角和22.5度攻角情况下的表面极限流线与Verhaagen的实验结果进行比较，比较显示计算结果定性上与实验符合较好；接着，给出了10度攻角情况下，在流向不同截面上的旋涡拓扑，截面上的旋涡位置与实验符合得较好。计算还给出了10度攻角以及22.5度攻角情况下不同流向位置处的压力系数分布，并与Verhaagen得到的实验结果进行了比较；接着，给出了双三角翼翼面上的旋涡破裂位置的预测结果，以及35度攻角下的旋涡破裂形态，并对破裂前后的极限环形态进行了浅析；接着，通过对35度攻角下，轴向速度和压力沿涡轴的分布的浅析，表明此时的旋涡结构与锥形流流动及其类似，并对其进行了浅析。通过对压力分布空间曲面的俯视图的浅析，给出了锥形流顶点的投影位置，证明其在双三角翼的顶点附近；在本章的最后给出了利用DES策略得到的边条上的剪切层失稳所产生的亚结构旋涡的清晰图像，并与相近后掠角（80）的三角翼剪切层失稳的实验图像进行了比较。第五章主要是对在计算历程中发现的双三角翼的新型横流涡现象进行了浅析与确认。在这一章的开始阶段首先介绍了普通斜直机翼的横流涡现象及其产生理由，然后将其与双三角翼新型横流涡现象产生的理由进行比较，探讨两者不同之处；接着对不同攻角下的新型横流涡现象进行了定性的描述，并针对20度、22.5度和25度时的横流涡现象，定量浅析、确定了旋涡移动速度、横流涡之间的间隔(波长)、减缩频率；接着，在对流场坐标进行变换后，对于横流涡的截面流态进行了拓扑浅析，给出了奇点的分布规律；进一步，以横流涡的产生、横流速度型拐点的有着性和拐点与横流涡之间的联系三个方面对双三角翼新型横流涡机理进行了详细的浅析与确认。通过浅析发现，在新型横流涡中，拐点依然有着，这说明其发生机制还是由于无粘不稳定性，并且进一步探讨发现，对于新型横流涡的发生，边条涡和机翼涡的诱导占主要地位，压力梯度占次要地位。另外压力梯度的方向与普通斜直机翼的压力梯度方向相反。第六章为结束语主要是总结论文的工作，并给出了下一步探讨工作的方向。关键词：双三角翼论文脱体涡模拟论文大范围分离论文新型横流涡论文
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摘要5-7
Abstract7-11
第一章 引言11-17
1.1 RANS/LES 混合策略的探讨背景和近况11-14
1.2 双三角翼的探讨背景和近况14-15
1.3 本论文的主要工作15-17
第二章 数值策略17-33
2.1 制约方程17-21
2.1.1 正交坐标系下的制约方程17-18
2.1.2 曲线坐标系下的制约方程18-19
2.1.3 虚拟压缩策略19-20
2.1.4 边界条件20-21
2.2 时间迭代策略21
2.3 湍流模拟策略21-25
2.3.1 雷诺平均 N-S 方程和滤波 N-S 方程21-23
2.3.2 SA-DES23-24
2.3.3 ML-DES24-25
2.4 空间离散策略25-30
2.4.1 常用的三阶和五阶迎风偏置格式25-26
2.4.2 新型混合格式26-29
2.4.3 面向工程运用的一类新三阶格式29-30
2.5 本章小结30-33
第三章 典型不足验证计算33-43
3.1 层流计算验证33-36
3.1.1 层流平板33-34
3.1.2 层流方腔流动34
3.1.3 小雷诺数定常圆柱34
3.1.4 非定常圆柱34-35
3.1.5 球双锥热流计算——中心型三阶格式的初步运用35-36
3.2 湍流 RANS 算例验证36-38
3.2.1 湍流平板36-38
3.3 DES 验证计算38-41
3.3.1 三维圆柱绕流38-40
3.3.2 三维机翼大攻角绕流40-41
3.4 本章小结41-43
第四章 双三角翼背风区大范围分离与旋涡流场的 DES 模拟43-63
4.1 基本流场特点43-51
4.1.1 几何外形、网格以及计算条件43-44
4.1.2 表面极限流线拓扑浅析44-47
4.1.3 截面流线拓扑以及压力分布47-49
4.1.4 背风区分离及旋涡空间结构演化49-51
4.2 双三角翼气动特性浅析51-52
4.3 涡破裂的预测和涡破裂的类型52-55
4.3.1 涡破裂的预测52-53
4.3.2 涡破裂的主要类型53-55
4.4 旋涡结构分区与锥形流55-60
4.5 剪切层失稳与旋涡亚结构60-61
4.6 本章小结61-63
第五章 双三角翼新型横流不稳定性与横流涡探讨63-81
5.1 新型横流不稳定性与普通横流不稳定性63-65
5.2 新型横流涡现象及其定量特点65-68
5.3 双三角翼横流涡截面流态的拓扑浅析68-70
5.4 新型横流不稳定性发生机制的浅析、验证与确认70-76
5.4.1 横流的产生70-72
5.4.2 拐点的有着性72-73
5.4.3 拐点与横流涡列的联系73-76
5.5 新型横流涡对气动力的影响浅析76-79
5.6 本章小结79-81
第六章 结束语81-83
致谢83-84
个人简历84-85
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