小攻角下翼型分離流結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

1、小攻角下翼型分離流結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究引言       翼型繞流分離作為繞流中常見的問題之一，一直受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，像換熱器中的擾流子、船用舵、螺旋槳的槳葉，風(fēng)力機(jī)的葉片等均為翼型流動問題。本文采用數(shù)值模擬的方法給出了翼型在-4°20°小攻角范圍下的靜壓分布、速度分布、升力及阻力系數(shù)曲線，總結(jié)了翼型分離流動結(jié)構(gòu)隨攻角的變化特征，為風(fēng)力機(jī)翼型的氣動特性研究提供了理論基礎(chǔ)。1.控制方程湍流流動控制方程在任意曲線坐標(biāo)系中可寫成無量綱矢量形式     其中，對應(yīng)于連續(xù)方程、動量方程、能量方程、低

2、雷諾數(shù)雙方程湍流模型共六個方程， 為坐標(biāo)變換Jacobian行列式。Fi為對流通矢量， 為粘性矢量， 為源項(xiàng)， 是雷諾數(shù)。本文假定流場定常，翼型周圍工質(zhì)氣體不可壓縮，模型計(jì)算時，湍流模型采用 低雷諾數(shù)雙方程湍流模型，之所以選擇此模型是因?yàn)?模型有著計(jì)算量更少，邊界條件容易處理，又能適應(yīng)粗糙的初始湍流流場等優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算翼型S809時也采用了該湍流模型,以上控制方程中考慮了可壓縮湍流的影響。2.網(wǎng)格生成與離散求解格式     計(jì)算域的邊界包括翼型固壁、速度入口、自由出流出口、Interior以及固壁邊界。計(jì)算域的外邊界長度分別是翼型表面弦長和最大厚度的10倍距

3、離。所采用的邊界條件為:固壁表面采用無滑移條件、進(jìn)口、出口和Interior面由特征相容條件所確定、計(jì)算邊界由插值確定。     計(jì)算區(qū)域離散為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域整體為類O形網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)為95202 ,翼型上、下表面均為196點(diǎn)，第一條網(wǎng)格線距翼型表面最近距離為弦長的104倍。計(jì)算過程中，采用了區(qū)域加密的方法，對翼型周圍流場網(wǎng)格進(jìn)一步加密。不同的來流攻角采用不同網(wǎng)格，以保證來流方向不變。 圖1 NACA4415翼型 攻角時局部網(wǎng)格     計(jì)算基于RANS方法，采用二維穩(wěn)態(tài)分離解法的隱式解法，空間離散格

4、式采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用SIMPLE解法。3.計(jì)算結(jié)果與分析3.1升力系數(shù)、阻力系數(shù)及分離流場     對NACA4415翼型在小攻角-4°20°范圍下的分離流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，取來流速度和翼型弦長為特征量,遠(yuǎn)前方來流馬赫數(shù)和雷諾數(shù)分別為Ma=0.024和Re=2.86×104。圖2為NACA4415翼型攻角-4°20°的之間升力和阻力系數(shù)計(jì)算值。            

5、                攻角 /(°)               圖2 在小攻角范圍下NACA4415翼型               &#

6、160;    升力系數(shù)和阻力系數(shù) 曲線圖3顯示了攻角分別為-4°、-6°、14°和16°時的分離流場。在定常計(jì)算過程中，計(jì)算表明,當(dāng)攻角小于14°時,翼型繞流為附著流，繞流流場只發(fā)生局部分離；當(dāng)攻角大于14°時,在翼型背風(fēng)面尾緣附近出現(xiàn)明顯的分離流結(jié)構(gòu),繞流流場發(fā)生大尺度分離升力系數(shù)下降；而14°正好是該翼型的失速攻角。以后隨攻角的繼續(xù)增大,分離點(diǎn)逐漸向翼型前緣推進(jìn), 分離區(qū)不斷增大,升力系數(shù)在16°攻角以后緩慢上升。分離區(qū)內(nèi)主要由旋轉(zhuǎn)方向不同的渦體組成,并隨攻角的增加,渦核的強(qiáng)度不

7、斷增大,且渦核逐漸離開背風(fēng)面擠壓主流場。分析得到的結(jié)論與文獻(xiàn)7給出的分析結(jié)果是相似的。（a）攻角-4°時翼型周圍速度矢量圖（b）攻角0°時翼型周圍速度矢量圖（c）攻角6°時翼型周圍速度矢量圖（d）攻角14°時翼型周圍速度矢量圖（e）攻角16°時翼型周圍速度矢量圖    圖3不同攻角下NACA4415翼型繞流時均速度矢量場（a）攻角-4°時翼型表面壓力分布（b）攻角6°時翼型表面壓力分布（c）攻角14°時翼型表面壓力分布（d）攻角16°時翼型表面壓力分布注：圖中y代表翼型的上表面y代表翼型的下表面     圖4在不同攻角下NACA4415翼型物面上時均壓力分布（a）攻角-4°時計(jì)算區(qū)域壓力等值線圖（b）攻角6°時計(jì)算區(qū)域壓力等值線圖（c）攻角14°時計(jì)算區(qū)域壓力等值線圖（d）攻角16°時計(jì)算區(qū)域壓力等值線圖圖5 不同攻角下NACA4415翼型繞流時均等壓力線分布4.結(jié)論     本文利用FLUENT商用計(jì)算流體軟件對不同攻角下NACA4415翼型的分離流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,成功地給出了翼型在不同攻角下的靜壓分布、速度分布、升力及阻力