摘要：大迎角飞行以及机动特性是现代战机的重要特征之一，能够准确的模拟大迎角流场结构及预测相应的气动特性至关重要。但目前最流行的商业计算流体力学软件FLUENT无法模拟大迎角问题，即迎角超过一定度数后，系统就会出现错误。针对这一缺点本文提出了改进方案，通过对物面边界条件进行特殊处理，进而求解二维欧拉方程，成功的得出了大迎角条件下的数值模拟结果，并分别对四种典型的二维翼型的大迎角流场结构及气动特性进行了数值模拟，得到了满意的数值结果。
关键词：数值模拟大迎角欧拉方程二维翼型
中图分类号：G4 文献标识码：A文章编号：1673-9795(2012)1(b)-0000-00
引言
战斗机发展的一个重要标志就是不断突破飞机飞行迎角的限制，扩大飞机飞行迎角[1]。但机翼随迎角和马赫数的增大，会出现复杂的气动特性，对飞机的机动性，可靠性都产生了至关重要的影响。因此，开展大迎角流场结构和气动力特性方面的研究非常具有现实意义。纵观国内外相关的文献[2-4]，大迎角飞行条件下的流程结构和气动特性理论都颇为成熟。但是，实践中我们发现目前应用最广泛的商业计算流体力学软件FLUENT，只能模拟低迎角情况下的流程结构和气动特性，大迎角就会出现错误。针对这一缺点，我们进行了研究，找到了解决方案。并且对四种典型翼型进行大迎角数值模拟，得到了满意的数值结果。
2 模型建立
本文以机翼大迎角静态无粘流场为研究对象，因此以二维欧拉方程为控制方程，采用Jameson有限体积法进行时间推进求解。空间离散采用中心离散格式，并附加二阶和四阶人工耗散项，时间推进采用五步Runge-Kutta显式格式，加速收敛采用隐式残值光顺技术[5]。
2 改进方法
本文对NACA0012进行了数值试验，确定在大概22°迎角时，FLUENT系统就会报错。
经研究我们发现问题出在物面边界条件处理上。对于无粘流，必须满足无穿透条件，即
表示物面的外法向向量。
显然物面上只有压力对物面单元的动量方程积分有作用。而问题就出在对物面边界压力的处理上。最流行的方法，也是FLUENT采用的方法是利用内层单元中心值外推法：二点外推法取值为或采用三点外推法。在迎角比较小的情况下，流场只有附着流动，这样做当然没有问题，可以得到正确的数值模拟结果。但是，当迎角增大到一定程度后，附着流就会发生分离导致涡流的出现，此时再利用外推法就会出现问题：特别是如果在背风面小于很多时，取值就会小于0，这样就会导致流场计算过程发生严重错误。这也是FLUENT无法模拟大迎角的根本原因。
其中d表示单元网格中心到物面的距离。以单位网格为例，物面压力值可以这样取：
此方法具有二阶精度。随着迎角增大，当时，直接取。
以NACA0012为例，在理想气体模型中，马赫数Ma=0.8，当迎角较小时， FLUENT和Euler方程压力云图数值模拟结果是一样的，这也证明了本文方法的可行性和准确性。
3 其他模拟结果分析
针对NACA0012，NACA2412，rae2822，s805这四种翼型，我们进行了大迎角下的数值模拟，由数据可视化处理，可以清晰的看到各个翼型在Ma=0.8，30°大迎角下，复杂的机翼表面压力分布云图，流场气流流线状况，以及机翼背风面漩涡发展状况。仅以NACA2412作为图例如下：
4 结论
本文针对商业计算流体力学软件FLUENT无法模拟无粘大迎角问题，提出了改进方法，对物面边界条件进行了大迎角条件下的特殊处理，弥补了商业软件的不足。并对四种典型翼型在大迎角条件下的流场结构和气动特性做了数值模拟，为今后更全面深入的开展大迎角气动特性的研究，以及相关软件的开发应用，做了很好的铺垫。
参考文献
[1] 朱自强，吴宗成. 现代飞机设计空气动力学[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，2005.
[2] Gary E.Erickson. HIGH ANGLE-OF-ATTACK AERODYNAMICS. NASA Langley Research Center,Hampton,Virginia. 1995.
[3] T.C.Lin,M.Kim,L.K.Sproul,F.Choi,and T.P.Shivananda. High Angle of Attack Aerodynamics and Aerothermodynamics[J].AIAA 2006.
[4] 康顺，杜永乐，祁明旭. 三角翼大迎角绕流的数值模拟[J].《空气动力学学报》，2005，4.
[5]J. Blazek. Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications[M]. Published by Elsevier Ltd, 2005.
