WPSF模型分离计算方法详解

机翼/挂架/带舵外挂物模型(WPSF) 是美国发起第一次分离投放CFD 验证时使用的一个机翼和导弹的简化模型， 并由Arnold Engineering Development Center (AEDC) 于1990 年完成CTS 试验。 由于该模型具有比较翔实的风洞数据， 因此被各种CFD 软件用作验证分离计算的标准算例， 如FASTRAN、USM3D、 FLUENT 等。

图3-18　俯仰力矩系数随马赫数变化的曲线(书后附彩插)

机翼/挂架/带舵外挂物模型的机翼采用直角翼尖的delta 翼， 后掠45°，NACA 64A010 翼型； 外挂物由中部的圆柱体以及前部和后部的旋成体构成，旋成体的母线与圆柱体相切； 外挂物的舵均与圆柱体有60°的后掠， 均采用NACA0008 翼型。 图3 -19 所示为WPSF 模型的三视图。

图3-19　WPSF 模型及其三视图(书后附彩插)

在该试验中， 还使用了虚拟的弹力作用， 以确保外挂物和机翼/挂架的安全分离， 在分离距离大于给出的安全距离后， 虚拟的弹力作用消失。 表3 -6给出了该试验的试验状态以及带舵外挂物的物理参数， 还有虚拟弹力的相关参数。

表3-6　试验状态、 外挂物及虚拟弹力的参数

在本算例中， 包裹机翼和挂架的背景网格有网格节点34.1 万， 包裹带舵外挂物的子网格有网格节点25.1 万， 如图3 -20 所示。 图3 -21 所示为初始状态在执行“挖洞” 操作后得到的子网格的计算单元的示意图。 图3 -22 所示为背景网格和子网格计算单元的纵切面和横切面， 可以看到它们之间有重叠的部分， 在计算中就是利用重叠区域的节点和单元体来传递不同网格间的流场信息。

图3-20　WPSF 模型重叠网格示意(书后附彩插)

图3-21　WPSF 模型子网格
“挖洞” 后的计算体积(书后附彩插)

图3-22　WPSF 模型网格“挖洞” 后的纵切面和横切面(书后附彩插)(www.xing528.com)

(a) 纵切面； (b) 横切面

同该模型的CTS 试验相同， 在计算中也取0.01 s 为每一步的时间间隔。图3 -23 所示为t 分别为0、 0.15 s、 0.30 s 时， 计算得到的物面Cp (压力系数) 图。

图3-23　不同时间的物面Cp 图(书后附彩插)

(a) t=0； (b) t=0.15 s； (c) t=0.30 s

t=0 时的等Cp 线纵切面和横切面如图3 -24 所示。

图3-24　t=0 时的等Cp 线纵切面和横切面(书后附彩插)

(a) 纵切面； (b) 横切面

如图3 -25 所示， 比较了计算结果和试验数据在一个时间步的带舵外挂物的质心位移变化量、 质心线速度、 姿态角、 绕质心的角速度。

图3-25　计算结果和试验数据在一个时间步的对比(书后附彩插)

(a) 外挂物质心位移变化量(机翼体轴系)； (b) 质心线速度(机翼体轴系)

图3-25　计算结果和试验数据在一个时间步的对比(书后附彩插) (续)

(c) 外挂物姿态角变化； (d) 外挂物角速度(外挂物体轴系)