风力机翼型的气动模型及数值计算

万方数据

兰州理工大学学报第３６卷合风力机专用翼型的边界层网格与湍流模型．

１计算模型

１．１控制方程与拓扑结构

选取不可压缩的雷诺时均方程为主控方程，不

考虑体积力和外部热源．考虑到ＤＵ９３一、弘２１０翼型

是为了克服气流流过相对厚度较大ＮＡＣＡ翼型过

早的发生分离，导致翼型气动性能严重下降而设计的［１０］，而且该翼型几何形状简单，生成网格质量较好；模型计算量小，适于进行大量的数值计算，可以对网格分布、湍流模型的不同组合进行分析比较；国外已公布较全的实验数据，这些数据都是在弦长为ｏ．６ｍ时得到的．为了便于比较，本文取弦长为ｏ．６ｍ的翼型为研究对象．建立长度为４５倍翼型弦长、宽度为４０倍的翼型弦长的二维计算区域，如图１所示，把该计算域沿翼展方向拉伸１倍翼型弦长就可得到三维计算域．

ｄｅ

图ｌ二维拓扑结构

ｌ毽ｌ１’ｗ州ｉｒ唧塔ｉ帅ａＩｔｏｐ０Ｉｏｇｉｃａｌｓｈ卫ｃｔｕ他

１．２网格划分

因为在同一算法下均匀分布的正交计算网格可以获得最高的计算精度，所以本文利用ＣＡＤ的表面构造技术以及多块网格技术生成了高质量、完全结构化的网格．该方法通过非均匀有理Ｂ样条插值（ＮＵＲＢＳ）将物理域映射到贴体坐标系下的求解域，进行流程计算域多块网格的构造与重构，最后生成的网格为贴体的、正交性很好的网格．由于翼型附近的流场参数变化梯度比远场的参数变化梯度大得多，且翼型前后缘的流动情况对翼型扰流数值模拟的影响很大，因此对翼型附近的网格进行了局部加密，图２为翼型附近的网格．

为比较翼型附近网格分布对边界层计算的影响，保持翼型表面周向网格节点不变，改变边界层内节点的法向分布以及第一层网格的高度，从而改变网格的纵横比，以确定适合于该翼型的边界层网格，网格划分方式见表１．流场方向半圆弧６ｆｄ上布置３３０个节点，直线拍、店、甜上各布置８０个节点．在三维计算域中，翼展方向上布置６０个节点．

图２翼型计算网格

Ｆｉ舀２１ｌｌ册Ｄ刚ｄｆｏｒａｉｒｆｏｎ

表ｌ边界层网格划分策略

Ｔａｂ．１Ｍｅｔｈｏｄｏｆｂ伽ｎｄａｒｙｌａｙ盯眦ｓｈｄｉｖｉｓｉ加

１．３边界条件与离散格式

进口口６ｃ如给定为速度进口，来流的湍流度为１％，湍流扩散长度为ｏ．０１札出口咖为压力出口，表压力给定为ｏ，湍流度和湍流扩散长度与进口一样．翼型表面ｇｍ＾九ｇ满足壁面无滑移条件．除在ＤＥＳ和Ｉ正Ｓ模型中对动量方程的离散采用默认离散格式（ｂｏｕｎｄｅｄｃｅｎｔｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｉｎｇ）外，其他模型中对连续方程、动量方程、雷诺时均方程等方程都用二阶迎风格式来离散，压力速度的耦合采用ＳＩＭ—ＰＩ。ＥＣ算法．

２结果分析

速度由雷诺数或马赫数来确定，雷诺数为３．ｏ×１０６、马赫数为ｏ．２２，弦长为ｏ．６０ｒＩＬ为了跟实验数据做对比，用Ｒ已一肚ｃ肛或胞一％／ｎ。求得进口速度为７６．５６ｍ／ｓ．假设流动非定常，设定时间步长为ｏ．００１ｓ，在每个时间步长内迭代２０次，利用升力系数、阻力系数来监测解的收敛性，当升阻力系数稳定时认为计算收敛．

２．１边界层的比较计算

以三维直叶片为研究对象，研究不同边界层网格对翼型气动性能的影响．由图３ａ可以看出，当攻角ａ＜７。时，不同边界层网格计算的升力系数无大差异，且与实验值相当吻合，这说明附体流动对边界层网格的要求较低．而当攻角口＞７。时，第１种网格划分策略计算所得的升力系数的最大值相对最小，且远小于实验值，失速提前发生，而第２种划分策略计

算所得的最大升力系数相对最大，且大于实验的最

万方数据

万方数据

兰州理工大学学报第３６卷

说脱体流动有很高的计算精度．

由图４ｂ可知，当攻角口＜８。时，所有模型计算的阻力系数都相对偏大且都大于实验值，但变化趋势相互吻合且与实验值吻合，其中ＬＥＳ的计算结果最大且远大于实验值，这表明亚格子模型放大了翼型附近的小尺度脉动对它的影响，此时的流动处于附体状态，翼型仅受到摩擦阻力的作用，这说明所有模型对摩擦阻力的模拟计算值均过大．当攻角口＞８。时只有ＬＥＳ计算出的阻力系数大于实验值，而其他模型对阻力系数的计算结果都小于实验值，说明ＲＡＮＳ和ＤＥＳ对压差阻力的计算能力较小，ＬＥＳ对气流分离造成的压差阻力有较高的计算精度．数值计算中，对流场的准确计算是翼型气动性能计算的基础，流场的形状及其变化规律反映了气流的客观流动规律，由图５可以看出，ＲＡＮＳ方法得到的旋涡结构单一而平滑，没有捕捉到旋涡的脱落，而ＤＥＳ方法得到的绕流不仅在流向有旋涡的卷起和脱落，而且在展向还有大尺度的脉动，这是因为ＤＥＳ在分离区域ｄ。＝ＣＤＥｓ△，湍流模拟不再依赖当地网格单元中心到翼型壁面的最短距离ｄ，即湍流的模拟与物体几何外形没有直接的关系，而与当地网格本身的尺度△直接相关，因此ＤＥＳ方法在流

图５旋涡等值面图

Ｆ嘻５Ｉｓ循ｌｌｒｆａｏ瞄ｏｆｖｏｒｔｉｃｉｔｙ

向和展向都能计算出旋涡的运动，从而能得到更复杂的旋涡结构，所以ＤＥＳ方法在数值模拟非定常大尺度分离流动方面具有明显的优势，它可以比ＲＡＮＳ方法更真实地模拟出高雷诺数下分离旋涡破裂后的非定常流动特征．

３结论

１）翼型气动性能的计算精度跟壁面网格分布的情况有关，从应用的角度出发，壁面法向网格布置应该适宜．如果近比网格太稀，边界层内网格节点数不够，就无法准确地捕捉黏性效应；另外，也不能盲目增加网格节点数，还应兼顾网格的纵横比．

２）翼型气动性能的计算精度与湍流模型有关，不同的湍流模型针对特定的物理模型才有较理想的计算结果，在计算三维直叶片时，ＤＥＳ模型能够捕捉到分离旋涡的非定常特征，得到更为真实的流场．

参考文献：

［１］ＧｕＩｕⅥＩＮＥＡｕ

Ｅ，ＰｌＱｕ盱Ｊ，ＱｕＥｕＴＲＹＰ．Ｔ、Ⅳｏ—ｄｉｍｅｌｌ．ｓｉｏｒＩａｌｔｕｒｂｕｌｅｎｔｖｉｓ∞ｕｓｎｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐ昌Ｌｓｔａｉｒｆｏｉｌｓａｔｆｉｘｅｄ

ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ［Ｊ］．（加ｌｐｕｔｅｒｓ＆Ｆｌｕｉｄｅｓ，１９９７，２６（２）：１３５—１６２．［２］王汉青，王志勇，寇广孝．大涡模拟理论进展及其在工程中的应用口］．流体机械，２００４，３２（７）：２３—２７．

［３］邓枫，伍贻兆，刘学强．用Ｄｌ强数值模拟分离扰流中的旋涡运动［Ｊ］．计算物理，２００８，２５（６）：６８３—６８８．

［４］ｓｎ强ＡＮｓ，ＦＲＡＮＫＴ．Ｄｅ诅ｃｈｅｄｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｎｏｗ扣ｒｏｕｌｌｄａ＿ａｉｒｆｂｉｌ口］．Ｆ１０ｗｔＴｕｒｂｕＩｅｎｃｅａｎｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，２００３，７１（１／２／３／４）：２６ｌ一２７８．

［５］李栋，焦予秦，ＩＧＯＲＭ，等．Ｄｅｔａｃｈｅｄ－Ｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ方法模拟不同类型翼型的失速特性［Ｊ］．航空学报，２００５，２６（４）：４０６—４１０．

［６］

钉ＲＥＩＥｒｓＭＤｅｔａｃｈｅｄ

ｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ眦ｓｓｉｖｅｌｙＳｅｐ８珀一ｔｅｄｆｌｏｗｓ［Ｒ］．Ｒｅｌｌｏ：ＡＩＡＡ，２００１．

［７］ｚＩＮＧＧＤｗ．ｃｏｍｐａ—ｓｏｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｐａｔｉａｌｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏ∞ｆｏｒｔｈｅＮ—Ｓｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．Ｒｅｎ０：ＡＩＡＡ，１９９９．

［８］覃文洁，胡春光，郭良平，等．近壁面网格尺寸对湍流计算的影响口］．北京理工大学报，２００６，２６（５）：３８８—３９２．

［９］齐学义，冯俊豪，李纯良，等．三维湍流流动计算在混流式转轮水力设计中的应用［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００６，３２（５）：４８－５２．

［１０］１ｒＩＭＭＥＲＷＡ，ＶＡＮＲｏＯＵＲＰｊＯ№ｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｈｅｄｅｌｆｔｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ耐ｎｄｔｕｒｂｉｎｅｄｅｄｉｃａｔｅｄａｉｒ｛ｂｉｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ０ｆ

ｓ０１ａｒｅｎｅｒｇｙ

ｅｎｇｉｎｅ—ｎｇ，２００３，１２５（４）；４８８—４９７．万方数据