Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nghiên cứu dòng chảy đối xứng qua một cơ thể thon dài ở các góc tấn cao
Tóm tắt
Bài báo này trình bày một nghiên cứu về độ bất đối xứng của dòng chảy xung quanh một cơ thể thon dài ở các góc tấn cao. Bài báo đã nghiên cứu khía cạnh số học trong việc mô phỏng các dòng chảy như vậy. Tác động của ba tham số mô phỏng, bao gồm độ phân giải lưới, sơ đồ phân discret và mô hình hóa dòng chảy hỗn loạn đã được đánh giá. Đã chỉ ra rằng độ đặc lưới không đủ dẫn đến giải pháp bị tiêu tán cao. Ở các góc cao, nơi mà độ bất đối xứng của dòng chảy được mong đợi phát triển quanh cơ thể, sự tiêu tán do độ phân giải lưới kém đã ngăn cản độ bất đối xứng dòng chảy. Ở độ phân giải lưới cao hơn, giải pháp cho thấy sự chuyển đổi giữa hai trạng thái cục bộ. Hai sơ đồ phân discret không gian, đó là sơ đồ trung tâm và sơ đồ giới hạn, đã được thử nghiệm trong nghiên cứu này. Kết quả thể hiện sự cần thiết phải sử dụng các sơ đồ phân discret không bị tiêu tán và không thiên lệch. Mô phỏng xoáy lớn đã được thực hiện bằng cách sử dụng hai mô hình quy mô con bên cạnh một phép chạy không sử dụng mô hình. Các mô hình quy mô con tạo ra kết quả tương tự ngoại trừ sự chuyển không đối xứng và vị trí trục của các tiêu điểm tách biệt. Nghiên cứu cho thấy rằng độ phân giải lưới và sơ đồ giải pháp có tác động sâu sắc đến tính hợp lệ của mô phỏng dòng chảy xung quanh các cơ thể thon dài ở các góc tấn cao. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng yêu cầu lưới nghiêm ngặt đã làm giảm tác động của mô hình quy mô con. Các phép tính sau đó đã được thực hiện ở bảy góc tấn \alpha = 30^{\circ}, \alpha = 40^{\circ}, \alpha = 50^{\circ}, \alpha = 52.5^{\circ}, \alpha = 55^{\circ}, \alpha = 57.5^{\circ}, và \alpha = 60^{\circ}. Phân tích đã được thực hiện trên các trường dòng chảy trung bình và không ổn định. Lực bình thường tổng thể tăng lên khi góc tấn tăng. Mặt khác, lực bên tổng thể bắt đầu tăng nhanh đối với các góc tấn \alpha > 50^{\circ} và đạt mức tối đa tại \alpha = 57.5^{\circ} trước khi giảm xuống tại \alpha = 60^{\circ}. Một chế độ hai ổn định đã được quan sát cho \alpha > 50^{\circ}, trong đó phương hướng của các lực tổng hợp chuyển đổi theo góc tấn. So sánh tần số chủ yếu đã tính toán với thí nghiệm cho thấy sự tương đồng chấp nhận được. Một số chế độ chính đã được xác định: chế độ tần số rất thấp, chế độ tần số thấp, chế độ tần số trung bình và chế độ tần số cao. Các chế độ này được chứng minh là phát triển khi góc tấn tăng. Đường dòng chảy bề mặt cho thấy sự tồn tại của các tiêu điểm tách biệt tại \alpha = 57.5^{\circ} và \alpha = 60^{\circ}, và một chế độ tần số cao đã được quan sát đi kèm với sự hình thành các tiêu điểm tách biệt.
Từ khóa
#dòng chảy asymmetry #cơ thể thon dài #góc tấn cao #mô phỏng dòng chảy #mô hình hóa dòng chảy hỗn loạnTài liệu tham khảo
AlQadi, I.M., Eljack, E.: Numerical investigation of flow asymmetry around slender body at high angles of attack. In: 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA 2016-2083 (2016). https://doi.org/10.2514/6.2016-2083
ANSYS: ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 17.0. ANSYS Inc. (2016)
Banks, D.W., Fisher, D.F., Hall, R.M., Erickson, G.E., Murri, D.G., Grafton, S.B., Sewall, W.G.: The f/a-18 high-angle-of-attack ground-to-flight correlation: lessons learned. Technical report, NASA-TM-4783, NASA (1997)
Bernhardt, J., Williams, D.: The effect of Reynolds number on control of forebody asymmetry by suction and bleed. In: AIAA Shear Flow Conference, AIAA 1993-3265 (1993). https://doi.org/10.2514/6.1993-3265
Bernhardt, J.E., Williams, D.R.: Proportional control of asymmetric forebody vortices. AIAA J. 36(11), 2087–2093 (1998). https://doi.org/10.2514/2.310
Bridges, D.H.: The asymmetric vortex wake problem—asking the right question. In: 36th AIAA Fluid Dynamics Conference, AIAA Paper 2006-3553, pp. 1737–1765 (2006). https://doi.org/10.2514/6.2006-3553
Cai, J., Tsai, H.M., Luo, S., Liu, F.: Stability of vortex pairs over slender conical bodies: analysis and numerical computation. AIAA J. 46(3), 712–722 (2008). https://doi.org/10.2514/1.33498
Clark, W.H., Peoples, J.R., Briggs, M.: Occurrence and inhibition of large yawing moments during high-incidence flight of slender missile configurations. J. Spacecr. Rockets 10(8), 510–519 (1973). https://doi.org/10.2514/3.61918
Cummings, R.M., Forsythe, J.R., Morton, S.A., Squires, K.D.: Computational challenges in high angle of attack flow prediction. Prog. Aerosp. Sci. 39(5), 369–384 (2003). https://doi.org/10.1016/s0376-0421(03)00041-1
Degani, D.: Effect of splitter plate on unsteady flows around a body of revolution at incidence. Phys. Fluids 3(9), 2122–2131 (1991). https://doi.org/10.1063/1.858210
Degani, D.: Instabilities of flows over bodies at large incidence. AIAA J. 30(1), 94–100 (1992). https://doi.org/10.2514/3.10887
Degani, D., Marcus, S.: Thin versus full Navier–Stokes computation for high-angle-of-attack aerodynamics. AIAA J. 35(3), 565–567 (1997). https://doi.org/10.2514/2.134
Degani, D., Tobak, M., Zilliac, G.: Surface flow patterns on an ogive-cylinder at incidence. AIAA J. 30(1), 272–274 (1992). https://doi.org/10.2514/3.10911
Degani, D., Zilliac, G.: Experimental study of nonsteady asymmetric flow around an ogive-cylinder at incidence. AIAA J. 28(4), 642–649 (1990). https://doi.org/10.2514/3.10441
Dexter, P.C., Hunt, B.: The effect of roll angle on the flow over a slender body of revolution at high angles of attack. In: 19th Aerospace Sciences Meeting, p. 358 (1981). https://doi.org/10.2514/6.1981-358
Dusing, D.W., Orkwis, P.D.: Numerical issues affecting vortex asymmetries computed with the conical Navier–Stokes equations. Comput. Fluids 25(3), 319–334 (1996). https://doi.org/10.1016/0045-7930(95)00044-5
Dyer, D.E., Fiddes, S.P., Smith, J.H.B.: Asymmetric vortex formation from cones at incidence—a simple inviscid model. Aeronaut. Q. 33(04), 293–312 (1982). https://doi.org/10.1017/s0001925900009495
Fiddes, S.: Separated flow about cones at incidence—theory and experiment. In: Hussaini, M.Y., Salas, M.D. (eds.) Studies of Vortex Dominated Flows, pp. 285–310. Springer (1987). https://doi.org/10.1007/978-1-4612-4678-7_13
Fiddes, S.P., Smith, J.H.B.: Asymptotic separation from slender cones at incidence. In: Smith, F.T., Brown, S.N. (eds.) Boundary-Layer Separation, pp. 363–375. Springer, Berlin (1987). https://doi.org/10.1007/978-3-642-83000-6
Fink, P.T., Taylor, J.: Some early experiments on vortex separation. Technical report, R.&M. No. 3489, Aeronautical Research Council (1967)
Gaskell, P.H., Lau, A.K.C.: Curvature-compensated convective transport: SMART, a new boundedness-preserving transport algorithm. Int. J. Numer. Methods Fluids 8(6), 617–641 (1988). https://doi.org/10.1002/fld.1650080602
Germano, M., Piomelli, U., Moin, P., Cabot, W.H.: A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model. Phys. Fluids A Fluid 3(7), 1760–1765 (1991). https://doi.org/10.1063/1.857955
Godavarty, D.: Effects of perturbations on the onset of vortex asymmetry. Ph.D. thesis, University of Cincinnati (2001)
Gowen, F.E., Perkins, E.W.: A study of the effects of body shape on the vortex wakes of inclined bodies at a mach number of 2. Technical report, NACA-RM-A53I17, NACA (1953)
Graham, J.E., Hankey, W.L.: Computation of the asymmetric vortex pattern for bodies of revolution. AIAA J. 21(11), 1500–1504 (1983). https://doi.org/10.2514/3.8280
Hartwich, P.M., Hall, R.: Navier–Stokes solutions for vortical flows over a tangent-ogive cylinder. AIAA J. 28(7), 1171–1179 (1990). https://doi.org/10.2514/3.25188
Hunt, B.: Asymmetric vortex forces and wakes on slender bodies. In: 9th AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA 1982-1336 (1982). https://doi.org/10.2514/6.1982-1336
Hunt, B.L., Dexter, P.C.: Pressures on a slender, axisymmetric body at high angle of attack in a very low turbulence level air stream. Technical report, U.S. Army R&S Group (Eur) (1978)
Hwang, S.J., Rho, O.H.: Lower–upper symmetric Gauss–Seidel scheme exhibiting asymmetric vortices over slender bodies. J. Spacecr. Rockets 33(5), 750–752 (1996). https://doi.org/10.2514/3.26831
Kandil, O., Wong, T.C., Kandil, H., Liu, C.: Thin-layer and full Navier–Stokes, locally-conical and three-dimensional asymmetric solutions. In: 29th Aerospace Sciences Meeting (1991). https://doi.org/10.2514/6.1991-547
Kandil, O.A., Wong, T.C., Liu, C.H.: Numerical simulation of steady and unsteady asymmetric vortical flow. J. Fluid Struct. 6(2), 249–265 (1992). https://doi.org/10.1016/0889-9746(92)90047-7
Keener, E., Chapman, G.: Onset of aerodynamic side forces at zero sideslip on symmetric forebodies at high angles of attack. In: Mechanics and Control of Flight Conference, p. 770 (1974). https://doi.org/10.2514/6.1974-770
Keener, E.R., Chapman, G.T., Cohen, L., Taleghani, J.: Side forces on a tangent ogive forebody with a fineness ratio of 3.5 at high angles of attack and mach numbers from 0.1 to 0.7. Technical report, NASA TM X-3437, NASA (1977)
Kim, S.E.: Large eddy simulation using an unstructured mesh based finite-volume solver. In: 34th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, AIAA 2004-2548 (2004). https://doi.org/10.2514/6.2004-2548
Kumar, P., Prasad, J.: Mechanism of side force generation and its alleviation over a slender body. J. Spacecr. Rockets 53(1), 195–208 (2016). https://doi.org/10.2514/1.a33290
Leonard, B.P.: The ULTIMATE conservative difference scheme applied to unsteady one-dimensional advection. Comput. Method Appl. Mech. 88(1), 17–74 (1991). https://doi.org/10.1016/0045-7825(91)90232-u
Leschziner, M.: Modelling separation from curved surfaces with anisotropy-resolving turbulence and closures. In: Vad, J., Lajos, T., Schilling, R. (eds.) Modelling Fluid Flow, pp. 23–47. Springer, Berlin (2004). https://doi.org/10.1007/978-3-662-08797-8_2
Leu, T.S., Chang, J.R., Kuo, C.L.: Experimental investigation of slenderness effect on side force of slender body. Mod. Phys. Lett. B 24(13), 1413–1416 (2010). https://doi.org/10.1142/s021798491002375x
Levy, Y., Hesselink, L., Degani, D.: Anomalous asymmetries in flows generated by algorithms that fail to conserve symmetry. AIAA J. 33(6), 999–1007 (1995). https://doi.org/10.2514/3.12520
Lilly, D.K.: A proposed modification of the Germano subgrid-scale closure method. Phys. Fluids 4(3), 633–635 (1991). https://doi.org/10.1063/1.858280
Liu, C., Wong, T.C., Kandil, O.A.: Prediction of asymmetric vortical flows around slender bodies using Navier–Stokes equations. Fluid Dyn. Res. 10(4–6), 409 (1992). https://doi.org/10.1016/0169-5983(92)90032-r
Ma, B.F., Liu, T.X.: Low-frequency vortex oscillation around slender bodies at high angles-of-attack. Phys. Fluids 26(9), 091701 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4895599
Marconi, F.: On the prediction of highly vortical flows using an euler equation model. In: Hussaini, M.Y., Salas, M.D. (eds.) Studies of Vortex Dominated Flows, pp. 311–364. Springer (1987). https://doi.org/10.1007/978-1-4612-4678-7_14
Mead, M.H.: Observations of unsteady flow phenomena for an inclined body fitted with stabilizing fins. Technical report, NACA-RM-A51K05, NACA (1952)
Moskovitz, C., Dejarnette, F., Hall, R.: Effects of nose bluntness, roughness, and surface perturbations on the asymmetric flow past slender bodies at large angles of attack. In: 7th AIAA Applied Aerodynamics Conference, AIAA 1989-2236. AIAA (1989). https://doi.org/10.2514/6.1989-2236
Murman, S.: Geometric perturbations and asymmetric vortex shedding about slender pointed bodies. In: Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA–2000-4103. American Institute of Aeronautics and Astronautics (2000). https://doi.org/10.2514/6.2000-4103
Nicoud, F., Ducros, F.: Subgrid-scale stress modelling based on the square of the velocity gradient tensor. Flow Turbul. Combust. 62(3), 183–200 (1999). https://doi.org/10.1023/A:1009995426001
Ramberg, S.: The effects of yaw and finite length upon the vortex wakes of stationary and vibrating circular cylinders. J. Fluid Mech. 128, 81–107 (1983). https://doi.org/10.1017/S0022112083000397
Savitzky, A., Golay, M.J.E.: Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Anal. Chem. 36(8), 1627–1639 (1964). https://doi.org/10.1021/ac60214a047
Schiff, L., Degani, D., Gavali, S.: Numerical simulation of vortex unsteadiness on slender bodies of revolution at large incidence. In: 27th AIAA Aerospace Sciences Meeting, p. 195 (1989). https://doi.org/10.2514/6.1989-195
Siclari, M.J.: Asymmetric separated flows over slender bodies at supersonic speeds. Comput. Syst. Eng. 1(2–4), 447–460 (1990). https://doi.org/10.1016/0956-0521(90)90029-k
Siclari, M.J., Marconi, F.: Computation of Navier–Stokes solutions exhibiting asymmetric vortices. AIAA J. 29(1), 32–42 (1991). https://doi.org/10.2514/3.10542
Stahl, W.H., Asghar, A.: Dependence on Reynolds number of onset of vortex asymmetry behind circular cone. In: 34th AIAA Aerospace Sciences Meeting (1996). https://doi.org/10.2514/6.1996-64
Taligoski, J.L.: Vortex asymmetry on conical forebodies at high angles of attack. Master’s thesis, The Florida State University (2014)
Tobak, M., Degani, D., Zilliac, G.G.: Analytical study of the origin and behavior of asymmetric vortices. Technical report, NASA-TM-102796, NASA (1990)
Vanden, K.J., Belk, D.M.: Numerical investigation of subsonic and supersonic asymmetric vortical flow. AIAA J. 31(8), 1377–1383 (1993). https://doi.org/10.2514/3.11789
Viswanathan, A.K., Squires, K.D., Forsythe, J.R.: Detached-eddy simulation around a forebody with rotary motion. AIAA J. 46(9), 2191–2201 (2008). https://doi.org/10.2514/1.4756
Wang, H., Sun, M., Qin, N., Wu, H., Wang, Z.: Characteristics of oscillations in supersonic open cavity flows. Flow Turbul. Combust. 90(1), 121–142 (2013). https://doi.org/10.1007/s10494-012-9434-8
Wardlaw, A., Morrison, A.M.: Induced side forces at high angles of attack. J. Spacecr. Rockets 13(10), 589–593 (1976). https://doi.org/10.2514/3.27931
Xiao, M., Gu, Y.S.: Control of asymmetric flow fields of slender bodies at high angle of attack. Chin. J. Aeronaut. 19(2), 168–174 (2006). https://doi.org/10.1016/s1000-9361(11)60296-3
Yang, Y., Zheng, B., Yang, W., Gao, C., Liu, F., Luo, S.: Numerical computation of pressure distributions over conical forebody at high angles of attack. In: 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA 2012-1237 (2012). https://doi.org/10.2514/6.2012-1237
Zeiger, M., Telionis, D., Vlachos, P.: Unsteady separated flows over three-dimensional slender bodies. Prog. Aerosp. Sci. 40(4), 291–320 (2004). https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2004.06.002
Zheng, B., Wang, Z., Gao, C., Fang, H., Xiong, J., Liu, F., Luo, S.: Computational analysis of conical forebody flow at high alpha with transitional model. J. Aircr. 52, 1–10 (2014). https://doi.org/10.2514/1.c032469
Zilliac, G.: Computational/experimental study of the flowfield on a body of revolution at incidence. AIAA J. 27(8), 1008–1016 (1989). https://doi.org/10.2514/3.10212
Zilliac, G., Degani, D., Tobak, M.: Asymmetric vortices on a slender body of revolution. AIAA J. 29(5), 667–675 (1991). https://doi.org/10.2514/3.59934