低速流对二维湍流模型数值模拟的结果分析

2017-07-18孙莹

中国设备工程 2017年13期

关键词：模拟计算雷诺数攻角

孙莹

（杭州萧山技师学院，浙江杭州 311201）

低速流对二维湍流模型数值模拟的结果分析

孙莹

（杭州萧山技师学院，浙江杭州 311201）

当今，求解飞行器扰流数学模型方程具有迫切的现实意义。在设计飞机机体部件或者航空发动机时，广泛应用数值模拟方法。本文在Spalart-Allmaras,k-ξ、k-w-sst、TransitionSST湍流模型基础上建立了二维流动的数学模型，利用AnsysICEM-Fuent软件模拟了低雷诺数条件下（Re=3500000、Re=6000000、Re=8000000）型NACA-0012和NACA-0006翼型在不同攻角（0°～20°）的二维湍流流动，生成翼型的升力系数Суа及静压力分布云图，并将其结果与实验数值和其他作者的数值实验相比较，进一步验证了数值模拟计算结果的可信度，可将其进一步应用到低速飞行器的启动计算中。

低雷诺数；Fluent；湍流模型；空气动力系数；计算方法

飞机机体及其组成部件的气动特性可以通过高精度风洞实验研究来确定。然而，这样的实验成本相当高，此外，这种研究方法不能最大限度对飞机机体的所有几何参数进行全面优化。因此，编写数学计算方程是描述飞机及其组成部件空气动力性能最重要的任务。通过大量研究，普遍认为低雷诺数条件下出现的最大升阻比迅速下降的现象同翼型低雷诺数条件下的层流分离现象密不可分。本文使用基于雷诺Navier-Stokes平均方程的数学模型的数值方法。这些研究方法是根据空气动力设计初始阶段的数值解决方案的优点选择的。数值计算方法与实验方法相比的主要优势在于：（1）缩短研究周期；（2）降低进行大范围数据变化研究的花费；（3）问题解决方案的不变性（无关性）；（4）可行性研究领域的综合问题解决方案；（5）数值模拟不只可以模拟理想条件，还可以模拟飞机运行的实际条件。

1 网格建立

数值模拟的研究是在ANSYSFLUENT[3]中进行的，其中研究的湍流模型有Spalart-Allmaras,kξ,k-w-sst,Transition-SST。进行数值模拟所使用的结构网格是在ICEM中建立的。选择NACA-0012经典翼型作为研究对象（如图1）。在工作中列出了对结构网格的基本要求。扰流体表面第一层网格厚度h=10-5…10-6b，保证最低的边界粘度层计算误差。

在低速流对亚音速经典翼型NAСA-0012进行数值模拟的过程中得到了一系列的数据并和试验数据，以及其他作者的数据进行了比对。NAСA-0012翼型的几何尺寸如图1，结构网格的建立在ANSYSICEM中进行。NACA-0012翼型的整体结构网格如图2。

图1 NACA-0012经典翼型的几何尺寸

图2 NACA-0006翼型的整体结构网格

2 边界条件选择

用于数值模拟计算选用的临界条件：迎面扰流马赫数M=0.184；雷诺数Re=3500000，Re=6000000，Re=8000000；湍流模型：Spalart-Allmaras,k-ξ，k-w-sst,TransitionSST；操作压力P=1atm，采用不可压缩理想气体。

3 经验数值选择

从中选取实验数值，如图3，将计算结果和选取的实验数值进行比对。曲线1、2、3与表1中的雷诺数值一一对应。

表1

图3 NACA0012翼型升力系数特性曲线图

4 结果分析

在不同的雷诺数和湍流模型下，根据数值计算结果生成的升力系数Суа、攻角a曲线图，如图4a、4b、4c。

图4a是在雷诺数Re=3500000下获得的计算结果。可以看出，攻角a从0～16°计算数值和实验数值基本一致，18°以后所有的湍流模型都出现了扰流分流现象。在使用湍流模型为Spalart-Allmaras情况下，计算数值和实验数值最为相近。

图4b是在雷诺数Re=6000000下获得的计算结果。可以看出，攻角a从0～16°计算数值和实验数值基本一致，18°以后湍流模型Spalart-Allmarasиk-w-sst出现了扰流分流现象。在使用湍流模型为k-w-sst情况下，计算数值和实验数值最为相近。

图4c是在雷诺数Re=8000000下获得的计算结果。可以看出，攻角a从0～16°计算数值和实验数值基本一致，18°以后湍流模型Spalart-Allmarasиk-w-sst出现了扰流分流现象。在使用湍流模型为k-w-sst情况下，计算数值和实验数值最为相近。

5 结语

在不同雷诺数与湍流模型的情况下进行的数值模拟计算，最终得到最优方案，马赫数М=0,184,雷诺数Re=8000000,湍流模型为k-w-sst。通过数值模拟计算可以看出，在各个计算状态下，都得到相对比较可靠的结果，导致结果不一致的原因可能是翼型前缘结构网格尺寸的影响。此数值模拟实验证明，生成的结构网格和选取的湍流模型可以用于未来分析低速流对NAСA-0012翼型的影响。