深度动态失速数值模拟方法验证与确认

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32671

流体力学与飞行力学

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深度动态失速数值模拟方法验证与确认

李佳忆¹, 司海青², 董昊¹(), 仇静轩², 夏天宇¹

^1.南京航空航天大学航空学院，南京 210016
^2.南京航空航天大学通用航空与飞行学院，南京 211106

收稿日期:2025-08-11 修回日期:2025-09-16 接受日期:2025-10-22 出版日期:2025-11-03 发布日期:2025-10-30
通讯作者: 董昊 E-mail:donghao@nuaa.edu.cn
基金资助:
江苏省杰出青年基金(BK20230030);国家自然科学基金(52502444);工信部民用飞机专项科研项目(MJZ1-8N22);航空航天结构力学及控制全国重点实验室青年学生项目(MCAS-S-0224G03);江苏省研究生科研与实践创新计划(KYCX25_0618)

Verification and validation of deep dynamic stall numerical simulation method

Jiayi LI¹, Haiqing SI², Hao DONG¹(), Jingxuan QIU², Tianyu XIA¹

^1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.College of General Aviation and Flight，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China

Received:2025-08-11 Revised:2025-09-16 Accepted:2025-10-22 Online:2025-11-03 Published:2025-10-30
Contact: Hao DONG E-mail:donghao@nuaa.edu.cn
Supported by:
Distinguished Young Scholars of Jiangsu Province(BK20230030);National Natural Science Foundation of China(52502444);Civil Aircraft Special Project Foundation of Ministry of Industry and Information Technology(MJZ1-8N22);State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures （Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）(MCAS-S-0224G03);Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province(KYCX25_0618)

摘要/Abstract

摘要：

动态失速是旋翼飞行器与风力机械工作过程中常见的非定常气动工况，其数值模拟结果在工程预测与机理分析中具有重要价值。然而当前多数研究仅通过单一模拟结果与试验数据进行比对，对各种数值参数导致的差异缺乏深入剖析，导致模拟结果的可靠性边界模糊，限制了计算流体力学（CFD）方法从复现走向预测的能力。针对NACA0012翼型在深度动态失速状态下的俯仰振荡流动，评估并量化了由关键建模选择所引入的认知不确定性的影响。系统性地考察了网格类型、湍流模型、压力速度耦合方式和边界条件等关键参数所导致的模拟结果差异，并通过时间历程曲线、迟滞环图谱等方式评估了数值模拟与试验数据的一致性。结果表明，在合理配置建模参数的前提下，模拟结果可进一步逼近试验数据，尤其是在关键的失速涡演化阶段表现出更高的可信度。通过系统的参数组合与对比分析，总结出了一套具有较高稳定性和精度的数值模拟建模参考方案，并利用区间度量方法，为该基准算例的气动力系数确立了不确定度带，为后续动态失速问题的数值模拟研究提供了实践依据。

关键词: 动态失速, 旋翼飞行器, 气动特性, NACA0012翼型, 计算流体力学

Abstract:

Dynamic stall is a common unsteady aerodynamic phenomenon encountered by rotorcraft and wind turbines， and its numerical simulation is of significant value for engineering prediction and mechanism analysis. However， current research predominantly compares a single simulation with experimental data and lacks an in-depth analysis of the discrepancies caused by various numerical parameters， leading to ambiguous reliability boundaries and limiting the capability of Computational Fluid Dynamics （CFD） to transition from a reproductive tool to a predictive one. Focusing on the pitching oscillation of a NACA0012 airfoil in a deep dynamic stall state， the effects of epistemic uncertainty introduced by key modeling choices were evaluated and quantified. The discrepancies in simulation results caused by key parameters， including grid types， turbulence models， pressure-velocity coupling methods， and boundary conditions， were systematically investigated， and the consistency of the numerical simulation with experimental data was assessed using time-history curves and hysteresis loops. The results indicate that with a proper configuration of modeling parameters， the simulation can closely approximate the experimental data， exhibiting higher fidelity， particularly during the critical stall-vortex evolution phase. Through a systematic comparative analysis of parameter combinations， a numerical simulation modeling reference scheme with high stability and accuracy was established， and by using interval quantification methods， the uncertainty band for the aerodynamic coefficients of the benchmark case was established. This provides practical guidance for subsequent numerical simulation studies of dynamic stall.

Key words: dynamic stall, rotorcraft, aerodynamic characteristics, NACA0012 airfoil, Computational Fluid Dynamics (CFD)

中图分类号:

V219

李佳忆, 司海青, 董昊, 仇静轩, 夏天宇. 深度动态失速数值模拟方法验证与确认[J]. 航空学报, 2026, 47(6): 132671.

Jiayi LI, Haiqing SI, Hao DONG, Jingxuan QIU, Tianyu XIA. Verification and validation of deep dynamic stall numerical simulation method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(6): 132671.

图/表 23

图 1

表1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

表2

数值模拟结果的周期性波动与拟合误差

统计量	RMSE/ $10 - 3$	绝对误差上限/ $10 - 2$	绝对误差下限/ $10 - 2$	绝对误差平均值/ $10 - 19$
$C L$	$4.48$	$3.99$	$- 9.02$	$- 8.00$
$C D$	$2.36$	$1.82$	$- 3.55$	$1.09$
$C m$	$2.12$	$3.31$	$- 1.61$	$0.246$

表2

图 21

参考文献 38

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网格	背景网格节点数	前景网格节点数	网格单元数/10⁴	重叠处网格面积比
G1	234×234	437×110	10.18	1.001 6
G2	285×285	481×148	15.12	1.003 5
G3	351×351	589×180	22.78	0.998 2
G4	432×432	777×205	34.41	1.002 9
G5	529×529	949×250	51.48	1.001 6
G6	651×651	1 153×309	77.73	1.002 3

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