水翼型水上飞机水动性能数值计算及分析

采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法对水翼型水上飞机水面起飞过程水动性能进行计算。使用Realizable k-ε模型对NACA0012三维地效机翼进行计算,验证空气动力计算方法。使用流体体积函数(VOF)方法对验证模型在不同弗汝德数下进行数值模拟,验证水动力计算方法。最后,对水翼型和双浮筒型水上飞机水面起飞过程进行数值计算,计算结果表明,水翼能够产生较大水动升力,当速度达到12 m/s时,水翼产生的水动升力将机身抬离水面;水翼水动升力峰值为6 395 N,约占飞机总升力的83%,双浮筒型水上飞机阻力增加较快,其阻力峰值约为水翼型水上飞机阻力峰值的1. 87倍,从而证明了水翼能够产生较大水动升力并能有效降低水上飞机的水动阻力。     

亚音速下翼型气动性能数值分析

文章基于数值模拟的方法，研究NACA0012翼型的失速及流场参数改变对飞机的气动性能影响；运用SST k-ω湍流模型和Solution Steering收敛方法得出翼型的流场计算参数，并与美国航空航天局(NASA)的试验数据进行对比，验证计算翼型的准确性。结果表明：当Re为5×10⁶和10×10⁶时，最大升力系数随马赫数的变化波动较大，且变化趋势基本相同，最大升力系数出现在Ma=0.20左右，分别为1.46、1.59,是所研究范围飞机的最佳飞行状态；在低Re的情况下，翼型的最大升阻比随马赫数增大而先增大后减小，且翼型的最大升阻比出现位置在马赫数为0.20～0.30;在亚音速条件下，翼型的失速攻角在一定范围内随马赫数变化可以用对数函数进行定量描述。     

高雷诺数下二维翼型绕流气动特性数值分析

采用不同湍流模型,对NACA0012翼型,在不同迎角和不同高马赫数下的绕流流场进行数值模拟;通过与风洞实验对比,评估了S-A模型,Realizable k-ε模型和k-ωSST模型对高雷诺数绕流流场数值模拟的准确性;并运用Realizable k-ε模型精确模拟并分析了二维翼型绕流流场的跨音速特性,为理论分析及工程设计提供参考。     

基于神经网络的跨音速非定常气动力的辨识

利用递归神经网络(RNN)模型具有时间记忆性,且会考虑之前的输入输出对当前输出影响的特点,以递归神经网络方法建立了NACA0012翼型在跨音速阶段的非定常气动力模型;利用CFD计算NACA0012翼型绕其刚心作变频俯仰运动的跨音速气动力系数为训练数据,建立跨音速非定常气动力模型。以建立的跨音速非定常气动力模型预测NACA0012翼型作俯仰简谐振动的气动力系数,并与CFD计算的气动力系数进行对比。结果表明,该模型具备优良的逼近非线性非定常气动力的能力;针对跨音速二维翼型,该模型相比CFD可以更快速地构建,并能迅速且较为准确地预测不同频率下作简谐振动时的气动力。     

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,作者开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究,采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明：绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U型涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。     

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性的数值研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究。采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型,计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明:绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U形涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。     

船用水翼抽吸增效作用的影响因素分析

为揭示船用水翼抽吸增效的水动力性能,采用Fluent软件进行了相关影响因素的分析.数值模拟采用NACA0012对称翼型,湍流模型选用kω-SST.结果表明:安装抽吸口可改善水翼的水动力性能;吸口数目增加,升力系数下降,阻力系数先降低后增加,存在最佳的升阻比;两吸口距离增大,升力系数下降,水动力性能随之下降;吸口位置后移,升力系数增加,阻力系数降低,水动力性能随之提高;吸口宽度增加,升力系数、阻力系数、升阻比均呈波动状态.     

等离子体协同射流翼型控制参数设计与机理探索

通过风洞实验和数值模拟方法研究了相关几何参数对等离子体协同射流翼型绕流特性与气动力特性的影响，并对流动控制机制进行了阐述。设计了不同高度的腔道，研究了等离子体激励下腔道出口的流量与射流速度的变化规律，最终选取4 mm腔道高度为最优参数， 设计了以NACA0025为基准翼型的等离子体协同射流翼型。通过数值模拟研究了等离子体协同射流翼型的升/阻力特性，并对比了前缘吹气与协同射流控制的不同控制效果。研究结果表明，Re=68 000、峰-峰值电压13 kV、载波频率8 kHz条件下，相对基准翼型，等离子体协同射流翼型将失速迎角从8°提高到了14°，最大升力系数增加了181%。等离子体协同射流翼型的阻力随迎角增大持续减小，在10°迎角之前其阻力大于基准翼型，随后小于基准翼型，升阻比呈现出与阻力相同的变化特性，10°迎角之后全面优于基准翼型。原因是后缘腔道处在较小迎角下产生了正阻力，而随着迎角的增大，其当地阻力变为负值。对比前缘吹气和协同射流控制，翼型失速迎角分别为12°和16°，这是因为协同射流翼型通过前缘吹气效应可以在当地集中注入动量，其后缘吸气可以减小低能量的分离区域，形成较大的环量增量。     

改进Coupled算法在翼型气动性能计算中的应用

首先采用SIMPLE、SIMPLEC、PISO、Coupled算法对NACA0012翼型进行气动性能计算,并比较计算结果,得出Coupled算法能够准确反映翼型的气动性能;然后利用统计试验中的均匀试验方法对Coupled算法的主要参数进行多次试验,确定了其中对结果影响最大的参数为PE-RF(Pressure Explicit Relaxation Factors),表明了通过改进算法的参数可以实现更好的收敛特性,以及更准确的数值模拟值;最后利用NACA2412翼型验证算法参数设置的准确性。结果表明,应用改进的Coupled算法可以准确预测翼型的气动性能,并为以后的气动性能计算提供依据。     

工程车辆翼型热管式散热器性能研究

为了提升散热器综合性能,保持车辆工作性能稳定,根据生产商提供的几何参数,应用计算流体力学对管片式散热器单元性能进行数值计算,将结果与试验数据对比,以验证仿真模型的准确性.以尽量保持散热面积为前提,提出以NACA0018翼型作为热管特征,计算并对比两者的JF因子,进一步讨论其与NACA0012,NACA0021间的换热系数和压力损失差异.仿真结果表明:通过对散热器单元体的数值模拟,可在一定误差范围内获取散热器冷侧换热系数和压力损失;与扁平管翅片结构相比,仿真区间内翼型热管翅片的JF因子略高,当流速达到12m/s时,JF评价因子高出约15.97%;与NACA0018相比,NACA0021具有较高的换热系数和压力损失,设计时应根据相对厚度酌情选择.     

基于人工鱼群算法及Hicks-Henne型函数的翼型优化设计研究

人工鱼群算法作为一种新型智能算法,具有良好的克服局部极值、取得全局极值的能力,并且该算法具有对搜索空间具有一定自适应能力、寻优速度较快、算法的实现无需目标函数梯度值等特性,使得其能够适用于多种翼型的优化设计。将人工鱼群算法与N-S方程气动数值解法结合,依靠计算流体动力学(CFD)计算技术,对翼型进行气动外形优化设计。在基准翼型的基础上,对翼型的描述采用基于Hicks-Henne型函数的解析函数线性叠加法。利用上述开发的算法对NACA0012和RAE2822进行翼型优化设计,设计结果表明本文发展的优化方法能够很好地适用于进行多种翼型的优化设计。     

涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响

为推迟翼型的边界层分离,改善叶片的气动性能,提出一种在H型垂直轴风力机对称翼型NACA0012叶片表面上加装涡流发生器的设计方案。利用FLUENT软件对翼型进行三维流体力学仿真,采用正交试验设计法,研究涡流发生器的高度、安装角度和安装位置这3个设计参数对翼型气动性能的影响。研究结果表明:最佳的涡流发生器高度为6.5 mm、安装角度为18°、安装位置为0.1c(c为叶片弦长),过大或者过小的涡流发生器高度和安装角会降低翼型的升力系数和升阻比;安装位置靠近翼型前缘可增大翼型的临界攻角,但会给翼型带来较大阻力;加装涡流发生器后,对称翼型叶片失速区范围减小40.3%。     

基于射流飞控技术的环量控制阶段数值研究

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升，在Coanda效应作用下，翼型环量会发生改变，且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布及升阻力特性的影响，并对环量控制的不同控制阶段进行了分析。首先，对NACA0012标准翼型进行尾缘修型，改变尾缘曲率和喷口高度等参数，验证环量控制的有效性；其次，在考虑攻角、动量系数、射流速度3个关键参数的情况下，引入Coanda偏转角，揭示了环量控制的Coanda效应的触发及抑制机理；最后，对NACA0012修型翼型和CC-E0020EJ环量控制翼型提出了分离预测思路。针对环量控制技术中2个控制阶段，通过推阻分解法对升力、阻力进行解构，解释了尾缘后流场分离与再附的超临界现象，提出了分离区域的分析方法。结果表明：Coanda偏转角可以作为动量系数与升力系数的物理判据，翼型下表面的压力损失导致超环量阶段的射流效率降低。     

翼型局部弹性自激振动的增升减阻效应研究

基于几何非线性的浅拱理论及空气动力学理论,建立了局部弹性翼型的气动弹性模型,并针对该模型建立了在ALE坐标下局部弹性翼型与非定常流场的耦合算法;对振动NACA0012翼型的非定常气动力进行了计算,结果与文献数据吻合良好,验证了算法的准确性;对雷诺数为2×105时弹性翼面自激振动对翼型的增升减阻效应进行了数值分析.研究结...     

风力机叶片翼型气动特性数值模拟

为研究风力机转子叶片的翼型特征,通过Fluent软件对改进的NACA类风力机转子叶片翼型的绕流流动气动特性参数进行数值模拟分析.结果表明:对于改进的NACA类转子叶片,翼型特征的优化保留了叶片高升力,进一步降低了阻力,在多攻角范围内均获得了较好的升力系数和升阻比.当攻角较小时,叶片绕流流动即呈现较小的分离涡,随着攻角的上升,叶片正负压强差进一步增大,表面压力系数特征规律趋于稳定,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性.翼型的优化设计可以直接提高风力机转子叶片的气动特征,进而提高风力机的工作性能.     

用ANSYS实现二维翼型风洞试验数值模拟.

基于有限元的ANsYs软件,可以分析二维翼型流场,解决作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力,并可以得到流场中翼型表面的压力与速度分布.与此同时,通过对ANSYs的二次开发,编制相关的三分力系数求解模块,得到各系数曲线.现以标模翼型为例,利用此模块得到的三分力系数与NF-3风洞试验值作对比,验证了用ANSYS实现二维翼型风洞数值模拟的可行性.     

基于涡面元法的风力机叶片翼型优化设计

 针对风力机翼型反设计问题,通过求解由涡量表达的面元流函数方程,直接得到面元节点速度;通过计算沿流线的伯努利方程获得面元的压力系数,进而求得升力系数和力矩系数。应用所述涡面元法以NACA2412 为初始翼型,以NACA4412 压力系数为目标值,获得满足目标压力系数的新翼型。根据新翼型对一小型风力机进行优化设计。计算表明基于涡面元法的翼型反设计有较高精度,较广适应性。通过凸函数表达翼型几何参数,能满足不同初始翼型的优化设计及风力机叶片的设计要求。     

三维摆动水翼仿生推进水动力分析

为了观察三维摆动水翼运动时表面压力的分布以及对流场域的影响,以NACA翼型和展弦比为1.5的NACA0012翼型为算例,采用计算流体力学方法分析了摆动水翼的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含摆动水翼的运动域、包含摆动水翼的尾流场域以及除此之外的静止域3部分,并采用不同的网格划分条件对其进行离散,离散方程采用k-ω湍流模型求解,静止域和流体域之间采用重叠网格方法实现模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同斯特罗哈尔数(St)条件下摆动水翼所受的推力、升力和力矩,研究了流场中速度以及压力分布,通过数值结果分析尾涡产生的机理。     

风沙环境对NACA-0012翼型气动性能的影响

采用离散相模型对风沙环境下风力机传统对称翼型NACA-0012的气固两相流动进行数值模拟,结合k-ε湍流模型求解雷诺时均N-S方程,研究风沙环境下NACA-0012翼型的升、阻力系数随固相质量浓度和颗粒中值直径变化的规律.结果表明,同一中值直径时,固相质量浓度对翼型的升、阻力系数影响较小,随着固相质量浓度增大,翼型的升力系数先迅速增大了洁净空气时的8.2%左右,然后趋于稳定,当固相颗粒质量浓度大于1.02kg/m3后,升力系数再持续增大;阻力系数先略有减小,然后趋于稳定,当固相颗粒质量浓度大于1.02kg/m3后,阻力系数再持续增大.同一固相质量浓度时,沙尘的颗粒直径对风力机翼型的升、阻力系数影响较大,颗粒直径越小,对翼型的升、阻力系数的影响越大,随着颗粒中值直径的增大,翼型的升力系数先迅速减小再逐渐增大,最后趋于稳定;阻力系数先迅速增大再逐渐减小,然后略有增大,最后趋于稳定.     

多参数变弯度翼型气动优化设计方法

为了获得机翼最优的气动外形,提出了一种多偏转参数与非均匀B样条结合的翼型前后缘连续偏转变形规律。以NACA3412翼型为研究实例,对翼型曲线进行参数化重构。以翼型前、后缘偏转位置和偏转角度为变化参数,模拟分析了不同变形状态对翼型气动特性的影响规律。以翼型升力系数和升阻比为优化目标,以前、后缘的偏转角度、偏转位置以及过渡段长度等六个偏转参数为设计变量,采用多目标遗传算法和ANSYS软件进行优化设计。结果表明,与基础翼型相比,优化后的变弯度翼型的升阻比提升约19.26%,升力提升约44.43%,明显改善了翼型的气动性能。