风洞洞壁对风力机翼型气动特性的影响分析

本文通过风洞试验测量和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟的研究结果,分析了风洞洞壁对风力机翼型气动特性的影响.试验风洞为中国科学院工程热物理研究所(Institute of Engineering Thermophysics,IET)低速回流风洞,所选用的翼型为DU91-W2-250.数值模拟采用有洞壁、无洞壁、无侧壁三种方式进行计算,通过对比试验和数值计算结果验证了采用CFD数值模拟分析风力机翼型洞壁效应的可行性.通过数值模拟分析并与经典映像法及Maskell洞壁修正方法对比,得出:风洞中,上下壁面的存在使流动在风洞壁面形成一定厚度的边界层,造成气流的通道面积减小,来流有效速度增加,并引起翼型升力系数C_l和阻力系数C_d增加;风洞侧壁诱导翼型段表面的展向流动、抑制了翼型表面的流动分离,减小了翼型弦向流动速度,引起翼型升力系数减小,阻力系数增加;小攻角时风洞侧壁对翼型表面流动的影响可以忽略,翼段表面流动保持二维性,大攻角时风洞侧壁干扰效应显著,其影响程度超过风洞上下壁面,与无洞壁相比,风洞壁的存在使升力系数减小,阻力系数增加;经典映像法及Maskell方法因未考虑洞壁边界层的影响,并不适用于风力机翼型大攻角流动时的洞壁效应修正问题,大攻角修正时应考虑风洞侧壁影响,对升力系数给予增量;同时对于大攻角流动,翼型本身流动已不具有二维性,其气动性能的测量应采用多截面压力测量或天平测力方法.     

翼型试验阻力测量方法的数值计算研究

分析提出翼型风洞试验时通过翼型尾迹流场信息积分计算阻力的新计算方法,利用数值模拟方法计算多段翼型的流场信息,并以此为基础对传统的尾迹积分计算翼型阻力方法和提出的新方法进行数值比较分析以研究新方法的可行性和准确度.结果表明,在高升力构型(如多段翼型)试验时,相比传统的方法,新提出的方法能得到更准确的阻力值.     

低雷诺数翼型分离流动的大涡模拟研究

采用高精度大涡模拟算法,对低雷诺数下的孤立翼型分离流动问题进行研究,计算了雷诺数为55000、马赫数0.2、来流5°攻角下的NACA-0025翼型,生成数值数据库,从时均流场、瞬态流场、频谱和高阶统计量等多个角度进行分析.研究结果表明:大涡模拟方法能够很好的描述低雷诺数翼型分离流动,其瞬态流场图画与实验结果吻合的很好;翼型上表面出现大尺度的开放式分离区,在Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性作用下,自由剪切层失稳卷起展向涡,展向涡二次失稳发生旋涡配对现象;分离区流场的演化受大尺度涡结构控制,流场中高阶统计量的分布也与涡结构密切相关.     

基于代理方法的带小翼翼型气动模型

为满足带后缘小翼智能旋翼气动弹性分析的需求,建立一种基于代理方法的后缘小翼翼型气动力计算模型。模型从小翼偏转后的翼型实际形状出发,对带偏转小翼的翼型流场划分C型网格,基于二维黏性N-S方程求解流场计算翼型气动力。为方便气动弹性集成分析,节约求解非定常翼型气动力的时间成本,以RBF模型代理翼型CFD方法计算非定常翼型的环量气动力,以薄翼型理论计算气动力的非环量部分。以对称的NACA 0012翼型和非对称的NACA 23012翼型风洞试验数据和模型的计算结果对比,充分验证了模型计算常规翼型和带小翼翼型气动力的精度,同时证实了模型对不同翼型形状的适应性。     

用数值模拟方法确定跨音速风洞几何参数

用多块搭接网格技术及雷诺平均N-S方程数值模拟跨音速翼型风洞流场,着重研究了不同驻室高度、不同引射缝高度以及实验段上下壁不同开闭比对风洞马赫数分布的影响,并研究了实验段上下壁干扰对翼型测压实验的影响,通过计算得到了最优的驻室高度、引射缝高度以及最优开闭比。计算结果表明,不同的驻室高度和引射缝高度对实验段马赫数分布有很大影响;而实验段上下壁开闭比对风洞实验段的阻塞度有很大的影响,随着开闭比的逐渐增加,翼型上的激波位置也逐渐向前移动,只有在合适的开闭比下,翼型的激波位置和压力峰值才与无干扰结果一致。研究结果对风洞建设和性能改进有一定的参考意义。     

载机干扰流场下的内装式空射火箭分离过程仿真

为精确模拟载机干扰流场下的箭机分离过程,综合运用多体动力学和计算流体力学的基本理论,提出了一种基于动力学仿真和数值模拟的仿真方法. 该方法通过建立载机、火箭和稳定伞的全尺寸实体模型,并在ADAMS中施加约束和驱动后进行可视化仿真. 火箭在载机干扰流场中的非定常气动力利用计算流体力学和动网格技术进行仿真计算,稳定伞的气动力通过克希霍夫运动方程进行推导. 针对影响箭机分离的关键因素进行仿真对比分析,结果表明该方法较准确地模拟了载机干扰流场下的分离过程,从而为内装式空射火箭的整体方案设计提供了重要的依据.     

带脊状结构的NACA0018翼型气动噪声特性

为了减少翼型的气动噪声,采用声类比的方法,以NACA0018翼型为研究对象,研究脊状结构对翼型远场噪声的影响。分别模拟来流速度为12 m/s和24 m/s,在6°攻角下布置脊状结构的翼型流场,对应的基于弦长雷诺数大约为1.6×105。通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到Riblet-Q和Riblet-H翼型的声场。非定常流场计算结果表明：6°攻角下Riblet-H翼型能够改善翼型边界层分离情况,抑制涡结构脱落,从而减小翼型表面压力脉动和接收点处声压波动。逆压梯度段脊状结构可以有效减小频率在0-3000Hz内的噪声。进一步研究表明,该状态下的噪声主要由边界层引起的涡脱落噪声所主导。可见,适当位置的脊状结构可以改善翼型的噪声情况。     

欧拉两相流法在翼型积冰中的应用

应用欧拉两相流理论对各种结冰气象条件下翼型积冰进行了数值模拟,采用格心型有限体积方法求解N-S方程来获得翼型的流场.对4°攻角下NACA0012翼型前缘的霜冰,明冰,混合冰进行了预测,最后将计算的结果和文献中实验数据进行对比,结果吻合良好,说明该方法是有效的.同时对积冰翼型的气动特性进行了分析,并比较了不同冰形对升、阻力的影响,计算结果显示明冰对气动特性的破坏最大.     

绕翼型低雷诺数流动的数值仿真

层流转捩到湍流及翼型表面分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的重要特征,对流场产生很大影响。针对这一流动现象,选取E387翼型为研究对象,采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,结合当前应用较广泛的Spalart-Allmaras,SST k-ω,Realizable k-ε三种湍流模型,对雷诺数为300000时翼型绕流流场进行了数值模拟,并将结果与Selig等人的风洞实验数据进行对比,评估三种湍流模型对绕翼型低雷诺数流动的模拟能力。基于对翼型阻力计算不准原因的分析,提出了一种基于Michel转捩判据的数值模拟方法,分别从分离泡的模拟、壁面摩阻分布、翼型阻力系数等方面与实验数据进行对比,结果表明该方法可以较好的模拟低雷诺翼型绕流流场。     

基于被动标量格子Boltzmann 方法的翼型绕流数值模拟

采用格子Boltzm ann方法(lattice Boltzm ann m ethod,LBM)中的被动标量模型,不考虑温度的影响,采用合适的密度分布函数和碰撞处理,并在一般坐标系下完成迁移过程的插值。固壁边界条件采用无滑移边界条件,模拟了雷诺数为60 000,攻角分别为0度和8度状态下的NACA0012翼型绕流。其翼型表面流线图和压力云图分布结果均与D2Q9模型结果吻合较好,证明该方法能够很好的模拟低速翼型的绕流。并且,在方程中加入等离子体激励器简化的作用力模型,初步达到带攻角下流动分离的控制效果,证明了该方法在带有体积力项流动的数值模拟方面的优良特性。