[发明专利]一种采用RANS/LES混合技术模拟飞行器摇滚运动的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是飞行器气动模拟方法，尤其是一种采用RANS/LES混合技术模拟飞行器摇滚运动的方法。

背景技术

摇滚(Rock)是现代战斗机及导弹武器经常会遇到的气动/运动耦合现象，它是飞行器在滚转方向的振荡运动。某些情况下伴随滚转振荡，偏航方向也会发生振荡，称为荷兰滚(Dutch-roll)。随着迎角增大，荷兰滚逐渐演变成以滚转为主的摇滚运动。摇滚运动通常是以极限环振荡(Limit Cycle Oscillation，LCO)形式出现。极限环振荡意味着在一个周期内运动的能量变化为零，即吸收的能量与耗散的能量相等，振荡既不发散也不收敛，形成等幅等周期振荡。理论上，在扰动作用下从任意初始状态都会进入摇滚，最后稳定在该极限环状态，然而一些极限环振荡是不稳定的，此时相平面可能存在其它极限环，系统在扰动作用下会在极限环间跳变，进入混沌运动。摇滚运动是非常危险的状态，如果不了解所发生的摇滚运动的特性和流动机理，控制系统没有合适的控制方法去修正，那么从理论上讲就已经进入失控飞行。

目前，针对飞行器摇滚运动的预测和模拟，主要通过风洞试验和数值计算两种方法来开展。

风洞试验能够较真实地模拟飞行器的绕流流态，在模拟摇滚运动上具有一定的准确性。但风洞试验存在不均匀来流、洞壁干扰、支撑干扰、轴承摩擦等多方面干扰，而飞行器的自激摇滚运动对来流条件较为敏感，使风洞模拟结果与真实飞行条件存在一定差别。

数值计算主要是划分飞行器外流场的空间离散网格，并耦合流场控制方程和刚体运动方程，进行非定常时间推进求解。这种方法不存在流场干扰，接近真实飞行条件。

目前在流场迭代计算中普遍采用非定常RANS方法。其思想是基于雷诺平均，将流场信息(速度、压力等)分解成两部分，第一部分为与时间无关的定常部分，另一部分为脉动部分。因此而产生的雷诺应力项，通常采用基于Boussinesq涡粘性假设，转化为涡粘系数的求解问题，从而借助湍流模型进行求解。工程中常用的湍流模型有一方程S-A模型、双方程、模型等。

RANS方法在附着流动在附着流动或小分离流动的预测中可以得到较准确得结果，然而当流动存在大面积分离时，RANS方法由于引入了较大耗散，抑制了小尺度涡运动的解析，因此随着迎角的增大，模拟精度急剧下降，对准确模拟摇滚运动提出了一定的挑战。

为准确模拟大迎角、复杂流场条件下的飞行器摇滚运动，需要对每一时刻的流场涡结构进行较为准确的模拟。而RANS/LES混合技术，结合了RANS方法和LES方法的优点，在高雷诺数、大分离流动的计算中已经得到了广泛的应用。RANS/LES混合技术的基本思想是对流场采用分区处理，在近壁面流动中采用RANS方法使得计算量可以承受，在分离流中采用LES方法使得流场涡结构更加精细。

目前RANS/LES混合技术主要被应用在模型静止或指定运动方式的非定常分离流动计算中，还没有在气动/运动耦合计算中得到运用，前者中前一时刻的计算结果只影响后面时刻的流场演化，而在后者中同时还会对后面时刻的模型运动造成影响。而RANS/LES混合方法将引入更多的气流脉动信息，与传统的非定常RANS方法相比，收敛速度变慢，计算误差增大，而计算误差随时间积累对后续流场结构的演化及飞行器的姿态运动的影响很容易导致模拟出错误的结果。因此，一方面需要采用更小的时间步长进行时间精确求解，并进行不同时间步长的比较验证，另一方面需要采用时间精度更高的紧耦合方法开展气动/运动的耦合计算。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种采用RANS/LES混合技术模拟飞行器摇滚运动的方法的技术方案，该方案采用RANS/LES混合技术模拟飞行器摇滚运动，在保证求解效率的前提下，更精细地解析复杂分离流动中的涡结构，从而对涡运动主导的飞行器摇滚运动作出较准确的预测和模拟。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种采用RANS/LES混合技术模拟飞行器摇滚运动的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在传统的非定常RANS方法基础上，将湍流模型中长度尺度替换为DES类方法的长度尺度，使流场解算过程中在壁面附近继续用RANS方法模拟小尺度的湍流，而在分离区采用类似Smagorinsky亚格子应力模型来模拟涡结构，从而得到模拟飞行器的流场解算方法；

步骤二、建立滚转单自由度刚体运动方程，并结合步骤一得到的流场解算方法，采用预估-校正算法，构造气动/运动紧耦合求解方法；

滚转单自由度刚体运动方程如下：