数值风洞截面尺寸研究及在雷达中的应用_姜宇翔.pdf
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1、第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 .().收稿日期:作者简介:姜宇翔(),男,助理工程师。研究方向为雷达整机结构设计技术。数值风洞截面尺寸研究及在雷达中的应用姜宇翔 张 越(西安长远电子工程有限责任公司 西安)摘 要:随着高性能计算机和计算流体力学()技术的飞速发展,数值风洞仿真技术应运而生。本文基于 流体力学分析软件,以常用的小型雷达天线罩三维模型为风洞试验对象,通过建立不同截面长宽尺寸的数值风洞,来分析数值风洞的截面尺寸对于整体仿真结果的影响。结果表明:数值风洞截面长宽尺寸不小于雷达天线罩截面长宽尺寸的 倍时,仿真结果较为稳定和准确,该结果可为数值风洞流场域的建立提供依据。最后
2、以某型号雷达天线罩为例,详细分析了数值风洞技术在雷达中的应用。关键词:计算流体力学();数值风洞;试验对象;截面尺寸;流场域中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:姜宇翔,张越.数值风洞截面尺寸研究及在雷达中的应用.火控雷达技术,():.:.,(.,.,):(),.,.,.:;引言“数值风洞”这一概念最早由日本科学家于上世纪 年代末提出,其主要设想是在高性能计算机上通过流体动力学()软件产生出飞行器设计所需要的气动数据。随着高性能计算机的发展,数值风洞的概念得到进一步扩充,现阶段人们普遍认为数值风洞是流体力学、计算机科学、数学、航空工程等一系列高新技术交叉融合的产物。长期以来,欧美国
3、家高度重视数值风洞的开发第 期姜宇翔等:数值风洞截面尺寸研究及在雷达中的应用和研究,并取得了重大突破,推出了一系列成体系的套装软件,垄断了国际市场。我国 技术在近些年也取得了长足进步,对航空航天事业的发展起到重要支撑作用。但在软件工程化、集成化及推广化上,我国与欧美国家还存在较大差距。我国于 年启动了国家数值风洞工程,旨在建成拥有自主知识产权的空气动力数值模拟平台,满足航空航天领域对国产 产品的需求。本文采用流体力学算法,基于 软件,以常用的小型雷达天线罩为模拟试验对象,通过建立不同截面尺寸的流场域模型,来分析天线罩受到的压力变化情况,从而对如何建立高效、准确、合理的流场域提供参考。同时以现有
4、某型号雷达天线为例,详细分析了数值风洞技术在雷达中的应用。理论数学模型.流体力学基本方程流体力学中包含三大基本方程:连续性方程、动量方程、能量方程。连续性方程为 ()()其中:为流体密度;为时间;为速度在三维空间中的矢量。连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表现形式,用以表征物质的传输行为。其数学描述为:单位时间内净流入或流出的质量差与单位时间内质量的累计之和为。动量方程为()()()()()()()其中:、为流体在时刻,在点(,)处的速度分量;为流体密度;为压力;为单位体积流体受的外力;为粘性系数。动量方程即纳维 斯托克斯方程,简称 方程,首先由纳维在 年提出,后由斯托克斯于 年对方程
5、进行补充完善。该方程反映了粘性流体流动的基本物理学规律,在流体力学中具有举足轻重的地位。该方程为一个非线性偏微分方程组,迄今为止,只有在特定的简单流体力学问题上才可求得其精确解。美国克雷数学研究所将 方程组光滑解的存在性问题设立为当今世界七大数学难题之一。能量方程为()()(),()其中:为内能;为焓;为有效导热系数;为温度;为组分 的扩散量;为体积热源项;,为雷诺类比湍流动量。式()为现阶段计算流体力学能量方程的通用形式,能量方程用以表征流体内部能量变化的情况。在数值风洞模拟中,通常不考虑试验对象的发热情况,没有能量交换与传递,因此不考虑能量方程,即数值风洞模型的基本理论是通过求解流体力学连
6、续性方程和动量方程来获得流场域内一系列参数。.湍流基本理论在流体力学中,流体的流动状态分为三种:层流,过渡流和湍流。其中,湍流被认为是最接近真实流体流动情况的一种理论。湍流理论认为,在流体流动时,流场中的流线并不是层次清晰的,而是会随机形成很多细小的漩涡,由于漩涡运动的随机性和无序性,从而导致流场内部流动轨迹极其紊乱。同时因内部漩涡的流动,导致了质量、动量和能量的传递。方程即是描述这种流动现象的数学形式,但是由于现有数学求解方法的限制,该方程实际上无法求解。为了能够将 方程真正应用于工程上,雷诺运用统计学的思想,将 方程进行平均,从而得到雷诺平均后的 方程,即。而后,普朗克提出了混合长度理论,
7、并将该理论运用在 中,由此产生了第一个真正意义上实用的湍流模型,为后续湍流模型的发展与完善奠定了基础。.湍流常用模型随着计算流体力学的发展,人们建立了越来越多的湍流模型满足不同条件下的工程需要,其中最火 控 雷 达 技 术第 卷为著名的是 模型和 模型。模型为双方程模型,通过引入湍流动能方程(方程)和湍流耗散率方程(方程)来表示粘性系数。其中,方程为数学推导得出,方程中包含经验系数,该经验系数与粘性底层的阻尼函数有关,在不同的近壁面情况下会出现一定的计算偏差,因此限制了 模型的适用范围。通常,模型用于完全湍流的流动过程模拟。模型定义了比耗散率,通过 方程和 描述粘性系数。方程和 方程的区别在于
8、,尽管 方程中也包含了经验系数,但该经验系数与粘性底层的阻尼函数无关。因此 模型更适合对近壁区域和边界区域的流动过程进行计算。在本文模型中,主要对天线罩表面压力值进行分析,因此选用 模型对数值风洞进行模拟与仿真。三维模型的建立与仿真.三维模型的建立本文中试验模型为一长方体小型雷达天线罩,其尺寸为 。该天线罩需在 级风、即.的风速下正常工作。同时建立以天线罩为中心的不同截面长宽尺寸的长方体流场域作为数值风洞,共 个。流场域截面长、宽分别取天线罩模型截面长、宽的整数倍,流场域具体尺寸见表 所示。表 流场域尺寸表流场域编号截面尺寸(长 宽)流场域进出口距离 .网格划分、边界条件设置采用 对建立的几何
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