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基于PowerFLOW的超声速空腔气动特性分析

谢伟亮，毛研伟，张伟

达索析统（上海）信息技术有限公司

摘要:本文针对某一公开发表的长深比为4.5的空腔模型，使用PowerFLOW软件，对超声

速来流工况进行了计算分析。通过流场分析印证了Rossiter模态的物理机制，同时结果表

明，PowerFLOW计算的各测点的频谱特征与试验结果以及理论公式的计算结果有良好的一

致性。最后通过两个不同马赫数的来流工况比较，分析了来流条件的不同对结果的影响。

关键词:开式空腔、Rossiter模态、超声速、PowerFLOW

1.简介

开式空腔是飞行器上一种常见的结构，比如大多数固定翼飞机起落架舱，军用飞机的

内埋式武器舱，其舱门打开后的状态即为典型的开式空腔。相比于外挂式的起落架或武器装备，使其内埋于机腹内，可显著降低外挂部件带来的流动分离和风阻，提高飞行机动性

能，降低雷达反射面积。但由于空腔打开后的流致共振导致其内部产生剧烈的压力脉动，

也会带来额外的问题，比如产生巨大的噪音，结构疲劳等。

开式空腔在高速气流的冲击下常表现为复杂的非定常三维流动，决定了其空气动力学

和噪声特征。学者们对空腔内的声学激励与共振效应有一系列的研究。空腔问题的流动机理最早由Rossiter[1]提出，并由Heller[2]等人改进。该机理解释为，由空腔前缘起始的流动剪切层跨过空腔，拍打到空腔的后侧壁面时，产生强烈的压力脉动与声波辐射；由于空腔内的流速较低，甚至存在不同程度的回流，声波便在空腔内部向上游传播，反向激励空腔前

缘的起始流动分离。由此产生的闭环反馈激励的流动和声学特征带来严重的流致共振，其压力脉动中的高振幅窄频部分，被称为Rossiter模态。研究证实，对于来流马赫数小于2.0的

空腔流动问题，空腔内的压力脉动由Rossiter模态主导，尤其对于较小长深比的‘开式空

腔’，而当空腔的长深比逐渐增大时，剪切层将逐渐冲击到空腔底部，减弱了压力脉动沿低速流动区域向上游的传播，宽频压力脉动的等级将逐渐逼近于Rossiter模态；而对于来流

马赫数大于2.0的问题，另有相关的不同机理解释。

许多研究者使用试验或者数值模拟的方法对简化的空腔问题进行了研究。国外研究者在位于英国的贝德福德的飞行器研究协会的超声速风洞中测试了M219标准模型，并发表了

相关试验成果；美国空军的阿诺德工程发展中心（AEDC）使用试验的方法，对多个系列

的空腔在不同的马赫数的条件下的气动声学特性进行了研究，并建立了一套数据库（被称为WICS），并公开发表了其中同一系列不同深度和来流马赫数的空腔数据。对于空腔问题

的数值模拟也有不少公开发表的文献。有些学者采用了基于非定常雷诺平均纳维-斯托克斯

2019达索系统SIMULIA中国区用户大会1

（URANS）方程的数值方法，能够预测到谐频压力脉动部分，但无法准确预测宽频部分；

使用分离涡仿真（DES）方法或大涡模拟（LES）技术能够更好的预测谐频以及宽频部分，

但较高计算精度条件下的计算量较大。

本文使用了基于格子玻尔兹曼算法（LBM）和超大涡模拟技术（VLES）的

PowerFLOW软件，对WICS数据库中长深比为L/D=4.5的开式空腔模型进行了研究。本文分

为四个部分，第一部分为PowerFLOW计算方法的介绍，第二部分为研究对象和计算设置，

第三部分为结果分析，最后为结论。

2.计算方法

PowerFLOW基于LBM/VLES方法，该方法已在航空和汽车行业得到广泛验证。LBM方法是对粒子速度的时间显性求解，并不求解偏微分方程，格式本身不存在所谓的色散或耗散，为数值稳定性添加的极小的人工粘性带来的额外的数值耗散也非常低。加上其天然

瞬态可压缩的特性，非常适用于有较小压力脉动信号如声波的求解。

在不考虑马赫数和体网格尺度的限制条件下，求解LBM方程等效于对N-S方程的直接

数值模拟（DNS）。格子中速度矢量的离散数量决定了求解的马赫数限制，当地的网格尺

度决定了能捕捉到的最小尺度的湍流信息。对于高雷诺数的流动，LBM格式对湍流的模拟

通过碰撞算子的松弛时间的变化实现，碰撞算子基于BGK近似求解。湍动能和湍流耗散通

过对亚格子尺度的RNGk-epsilon模型的求解获取。

2.1格子玻尔兹曼方法

LBM方程的形式如下：

??(?+????,?+??)=??(?,?)+??(?,?)

其中，??表示i方向的粒子分布函数。????和??分别表示空间和时间的递进。为了便于

说明，在接下来的说明中将??取为1。上式右侧的??(?,?)为碰撞项，把其写为最常用的

BGK