西北工业大学
硕士学位论文
螺旋桨飞机超低空流场数值模拟方法研究
姓名：何辉
申请学位级别：硕士
专业：流固耦合与控制
指导教师：叶正寅
20070301
图２．１螺旋桨飞机表面网格图２．２螺旋桨飞机地面网格
图２．３远场表面网格图２．４网格拼接后的封闭边界在计算区域中合理的分布网格结点是任何网格生成技术都必须满足的基本要求之一。阵面推进方法生成非结构网格时，空间网格的疏密分布是由表面网格和背景参数共同决定的。背景参数的提供方法比较多，比较常用的是背景网格方法【７３】和势函数方法［７４１，但在三维非结构网格生成过程中这两种方法都不同程度的存在一些缺点。背景网格方法需要事先生成背景网格，这在复杂外形条件下是比较困难的。势函数方法给出的背景信息在三维情况下很不直观，不利于网格疏密变化的调节。本文利用课题组在此方面的成果，合理设置参数调节背景网格的疏密，生成尺寸均匀的背景网格，为阵面推进法生成空间网格创造了良好的前提。§２．２．２网格的生成和后置处理
在已有表面网格和背景网格的基础上，利用课题组非结构网格生成软件（甚至可以使用Ｇａｍｂｉｔ软件）自动生成空间网格，与此同时，得到空间网格与各个边界的网格信息。
西北工业大学硕士学位论文第二章非结构网格生成技术
三维非结构网格生成的后置处理工作主要包括网格的光顺和优化及相邻网格单元的搜索和边界面的标定两个方面。
在进行流场计算的时候，为了保证离散的精度，要求网格单元具有较高的质量，对于非结构网格而言，就是要求网格形状尽量接近正四面体网格。利用阵面推进方法生成的非结构网格可能在某些位置存在较大的网格畸变，那些畸变严重的网格可能会造成流场求解时的收敛困难。网格光顺和优化的主要目的就是为了尽量减少或消除这种畸变，提高网格的质量。网格的光顺与优化可以结合起来同时进行，进行完一遍网格光顺以后，紧接着进行网格优化工作，如此往复数次以后网格的质量可以得到较大幅度的提高。需要指出的是，无论采用何种光顺和优化方法都只能部分的改善网格的质量，决定网格生成质量的最主要因素应该是阵面推进过程中选点的好坏，使用好的选点准则才是提高网格质量的关键所在。
为了将网格应用于流场计算，计算网格的输出数据中必须附加一些必要的信息（如相邻单元、边界情况等），所以，在网格生成的最后还需进行相邻网格单元的搜索和边界面的标定工作。本文利用课题组已有的邻居单元搜索和边界面标定程序对所得到的全机空间网格进行了邻居单元的搜索和边界面的标定，为流场计算提供了全面的网格信息。
图２．５给出了零地面高度（这里零高度指起落架与地面接触时的飞机相对高度）通用螺旋桨飞机的表面网格分布，图２．６给出了通用螺旋桨飞机的非结构网格分布，图２．７给出了零地面高度飞机对称面上空间网格头部局部放大图，图２．８给出了零地面高度通用螺旋桨飞机对称面上空间网格剖面图。可以看出，表面网格和空间网格具有较高的质量，为进行流场计算打下了坚实的基础。
图２．５零地面高度通用螺旋桨飞机
表面网格分布图２．６零地面高度通用螺旋桨飞机
非结构网格分布
图２．７零地面高度飞机对称面上空间
网格头部局部放大图图２．８零地面高度通用螺旋桨飞机对称
面上空间网格剖面图
§２．３地面附近网格生成技术
为了计算飞机距离不同地面高度下的流场，需要对利用软件生成的零高度地面空间网格进行地面拓展，以减少人为调节生成不同地面高度网格的工作量，并为飞机进行沉浮运动的网格生成打下基础。
对全机空间网格进行地面拓展的步骤如下：
１、确定飞机距离地面的高度，设置拓展的地面网格的层数，求出每层拓展网格的高度。
２、在零高度地面网格的基础上，对地面上的每个网格点向下插值，求出第一层网格点位置，将这些网格点按照零高度地面网格的关系组成三角形网格单元，并与对应的零高度地面网格组成三棱柱空间网格单元，同时为每个三棱柱网格编号并记录下其邻居信息。
３、按照步骤２依次生成下一层空间网格，直到所有网格生成完毕。
以飞机距离地面高度Ｏ．３４４，地面网格拓展１０层为例，对零地面高度空间网格进行拓展。图２．９给出了拓展网格后通用螺旋桨飞机的表面网格分布，图２．１０给出了拓展网格后通用螺旋桨飞机的非结构网格分布，图２．１１给出了拓展网格后飞机对称面上空间网格头部放大图，图２．１２给出了拓展网格后通用螺旋桨飞机对称厩上空间网格剖面图。可以看出，拓展的地面网格具有较高的质量，为高效计算飞机距离地面不同高度的流场提供了必要的前提。
图２．９拓展地面网格后通用螺旋桨飞机
表面网格分布图２．１０拓展地面网格后通用螺旋桨飞机
非结构网格分布
图２．１１拓展地面网格后飞机对称面上空图２．１２拓展地面网格后通用螺旋桨飞机间网格头部放大图对称面上空间网格剖面图在飞机近地面进行沉浮运动时，飞机距离地面不同高度的网格生成也是按照此方法进行，但必须要求地面拓展层数相同，以保证各个时间步网格单元相对应。由于只是对空间网格进行地面拓展，每次重新生成网格的时间很少，大大提高了网格运动的效率。
在与用中心有限体积法耦合求解流场时，需要用到网格单元的运动速度露＝Ｘｔｆ＋ＹｔＪ＋ｚ，ｋ，可以下列各式求出：
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（２．１）