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小攻角下翼型分离流结构的数值研究
作者:刘冬冬 汪建文 朱德臣 曲立群
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摘要:利用FLUENT商用计算流体软件对小攻角下(-4°~20°)NACA4415翼型的分离流结构进行了数值模拟,计算中 方程采用二维稳态分离解法的隐式解法;湍流模型选择 模型;离散方法为二阶迎风格式;压力-速度耦合采用SIMPLE算法。成功的给出了翼型在小攻角下的静压分布、速度分布、升力及阻力系数曲线,对不同攻角下分离流动结构进行了详细的分析、比较,系统地给出了该翼型在分离绕流中的气动力学参数,得出该翼型分离流动结构随攻角的变化特征。

翼型绕流分离作为绕流中常见的问题之一,一直受到了广大学者的关注,像换热器中的扰流子、船用舵、螺旋桨的桨叶,风力机的叶片等均为翼型流动问题。本文采用数值模拟的方法给出了翼型在-4°~20°小攻角范围下的静压分布、速度分布、升力及阻力系数曲线,总结了翼型分离流动结构随攻角的变化特征,为风力机翼型的气动特性研究提供了理论基础。

1.控制方程

湍流流动控制方程在任意曲线坐标系中可写成无量纲矢量形式

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其中Q=[q1,q2,q3...q6]T,对应于连续方程、动量方程、能量方程、低雷诺数双方程湍流模型共六个方程, 为坐标变换Jacobian行列式。Fi为对流通矢量, 为粘性矢量, 为源项, 是雷诺数。本文假定流场定常,翼型周围工质气体不可压缩,模型计算时,湍流模型采用 低雷诺数双方程湍流模型,之所以选择此模型是因为 模型有着计算量更少,边界条件容易处理,又能适应粗糙的初始湍流流场等优点,计算翼型S809时也采用了该湍流模型,以上控制方程中考虑了可压缩湍流的影响。

2.网格生成与离散求解格式

计算域的边界包括翼型固壁、速度入口、自由出流出口、Interior以及固壁边界。计算域的外边界长度分别是翼型表面弦长和最大厚度的10倍距离。所采用的边界条件为:固壁表面采用无滑移条件、进口、出口和Interior面由特征相容条件所确定、计算边界由插值确定。

计算区域离散为非结构网格,计算区域整体为类O形网格。网格数为95202 ,翼型上、下表面均为196点,第一条网格线距翼型表面最近距离为弦长的10-4倍。计算过程中,采用了区域加密的方法,对翼型周围流场网格进一步加密。不同的来流攻角采用不同网格,以保证来流方向不变。

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图1 NACA4415翼型 攻角时局部网格

计算基于RANS方法,采用二维稳态分离解法的隐式解法,空间离散格式采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE解法。

3.计算结果与分析

3.1升力系数、阻力系数及分离流场

对NACA4415翼型在小攻角-4°~20°范围下的分离流动结构进行了数值模拟,取来流速度和翼型弦长为特征量,远前方来流马赫数和雷诺数分别为Ma=0.024和Re=2.86×104。图2为NACA4415翼型攻角-4°~20°的之间升力和阻力系数计算值。

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图2 在小攻角范围下NACA4415翼型升力系数C1和阻力系数Cd曲线

图3显示了攻角分别为-4°、-6°、14°和16°时的分离流场。在定常计算过程中,计算表明,当攻角小于14°时,翼型绕流为附着流,绕流流场只发生局部分离;当攻角大于14°时,在翼型背风面尾缘附近出现明显的分离流结构,绕流流场发生大尺度分离升力系数下降;而14°正好是该翼型的失速攻角。以后随攻角的继续增大,分离点逐渐向翼型前缘推进, 分离区不断增大,升力系数在16°攻角以后缓慢上升。分离区内主要由旋转方向不同的涡体组成,并随攻角的增加,涡核的强度不断增大,且涡核逐渐离开背风面挤压主流场。分析得到的结论与文献[7]给出的分析结果是相似的。

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(a)攻角-4°时翼型周围速度矢量图

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(b)攻角0°时翼型周围速度矢量图

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(c)攻角6°时翼型周围速度矢量图

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(d)攻角14°时翼型周围速度矢量图

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(e)攻角16°时翼型周围速度矢量图
图3不同攻角下NACA4415翼型绕流时均速度矢量场

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(a)攻角-4°时翼型表面压力分布

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(b)攻角6°时翼型表面压力分布

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(c)攻角14°时翼型表面压力分布

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(d)攻角16°时翼型表面压力分布
注:图中y+代表翼型的上表面y-代表翼型的下表面
图4在不同攻角下NACA4415翼型物面上时均压力分布

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(a)攻角-4°时计算区域压力等值线图

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(b)攻角6°时计算区域压力等值线图

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(c)攻角14°时计算区域压力等值线图

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(d)攻角16°时计算区域压力等值线图
图5 不同攻角下NACA4415翼型绕流时均等压力线分布

4.结论

本文利用FLUENT商用计算流体软件对不同攻角下NACA4415翼型的分离流动结构进行了数值模拟,成功地给出了翼型在不同攻角下的静压分布、速度分布、升力及阻力系数曲线,并模拟了翼型在小攻角下的分离流场,捕捉到了该翼型的失速攻角,特别对各特征攻角下的分离流结构进行了详细的分析、比较系统地给出了该翼型在分离绕流中的气动力学参数。总结了该翼型分离流动结构随攻角的变化特征,为风力机翼型的气动特性研究提供了理论基础。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/7/2011)
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