数值模拟的翼型气动性能优化研究.pdf

第 卷第期年月杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报J o u r n a l o fY a n g l i n gV o c a t i o n a l&T e c h n i c a lC o l l e g eV o l N o S e p,收稿日期:作者简介:曹利刚(),男,陕西澄城人,副教授,硕士研究生,主要研究方向为电气自动化和流体力学.D O I:/j c n k i c n /G 数值模拟的翼型气动性能优化研究曹利刚(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 )摘要:NA C A 在小角度攻角时的气动模拟结果与实验数据基本相同,通过对襟翼D O E的多组数值模拟实验数据和翼型下方的压力分布模拟图形分析得知,数值模拟的方法为翼型的气动性能优化提供了理论支持.关键词:数值模拟;翼型;气动性能;优化中图分类号:TM 文献标识码:A文章编号:()O p t i m i z a t i o no fA i r f o i lA e r o d y n a m i cP e r f o r m a n c eb yN u m e r i c a l S i m u l a t i o nC A OL i g a n g(Y a n g l i n gV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,Y a n g l i n g,S h a a n x i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e a e r o d y n a m i c s i m u l a t i o nr e s u l t so fNA C A a t s m a l l a n g l eo f a t t a c ka r eb a s i c a l l y t h e s a m e a s t h e e x p e r i m e n t a l d a t a T h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e v e r a lg r o u p so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ld a t ao ff l a pD O Ea n dt h es i m u l a t i o ng r a p h i c so f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nu n d e r t h e a i r f o i l,i t i sk n o w n t h a t t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dp r o v i d e s t h e o r e t i c a l s u p p o r tf o r t h eo p t i m i z a t i o no f a i r f o i l a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e K e yw o r d s:n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;a i r f o i l;a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e;o p t i m i z a t i o n 前言风力机翼型的气动特性可以通过数值模拟和风洞实验的方法得到,随着流体力学和计算机的快速发展,数值模拟方法已经成为一种常见的优化方法.与风洞试验相比,数值模拟主要体现出适应性强、成本低、用时短等优点,但数值模拟依赖于实验观测和理论分析.网格划分方法数值计算结果主要取决于网格划分质量的好与坏,网格点的布局是网格生成的关键.对于不规则边界非结构化网络适应性强,但是节点位置不能用一个固定的法则有序命名,网格生成的时间长,计算量大,离散方程求解速度很慢.对于结构化网络,对计算区域的几何形状要求较多,单系统中的节点排列很有规律,相邻点之间的关系清晰.本文利用H y p e r M e s h软件生成C型二维结构化网格并延展向延伸生成三维网格.设计的弦长为m,以翼型的前缘顶点为中心,左边区域选为半径是 m的半圆,右边区域选为长 m,宽 m的长方形,延展向的厚度为 c m.在翼型上共布置 个点,上、下表面各 个,上、下表面法向方向都布置 个节点,尾流方向布置 个节点,展向方向布置个节点,平行网格尺寸是垂直网格尺寸的 倍.对于二维流场,进口处的给定风速为边界条件,出口处的压力为边界条件,翼型的表面是静态无滑移壁面边界.对于三维流场除设定与二维相同的条件外,还需要设置延展向翼型的两个端面的对称边界条件.NA C A 气动模拟求解过程中采用F l u e n t软件,初始条件设定为:风速 m/s,雷诺数 万,弦长m.把速度设定为进口边界,压力设定为出口边界,展向对称型边界,无滑移壁面边界.根据参考文献 对同种翼型的模拟数值分析可知,S p a l a r t A l l m a r a s湍流模型是单方程模型,达到收敛所耗费的时间相对较少.该模型能更加详细的反应流动参数变化,这对于具有层流流动的固壁湍流流动有良好的易收敛性和稳定性,计算翼型的气动数值也相对更加精确.所以本文采用S A模型,模拟迎角的范围是,步长为,得到共计 组升力和阻力系数,如表所示.升力和阻力系数的实验值与模拟值比较如图所示,升阻比的实验值和模拟值比较如图所示,攻角的单位都是度.表模拟得到的升力和阻力系数迎角 升力系数 阻力系数 升阻比 图升力和阻力系数的实验值与模拟值对照图从图可以看出实线连接的菱形点代表实验值,虚线连接的三角形点代表本文的模拟值,模拟值总体比实验值偏高,但变化规律基本相同,模拟升力系数在迎角是 左右时达到了最大值,然后逐渐减小,D TU实验值在迎角为 时达到了最大值,然后减小.模拟的阻力系数值和实验值基本吻合,都在 左右时出现了拐点,然后快速增大.从图可以看出由三角形点组成的模拟值普遍小于由菱形点组成的实验值,模拟值和实验值之间存在一定的差异,但变化规律基本相同.在 之间,升阻比的值较大且基本没有变化,在 以后两个曲线都迅速下降,到达 时重合.图升阻比的实验值和模拟值对照图综上述所,可以看出整个计算模拟效果较好,基本与实验值相同,尤其是在小角度时模拟升力系数和阻力系数时更为准确.襟翼的D O E实验分析对于翼型的气动优化过程,目前主要是翼型整体气动外形优化,近年来也发展了一种新技术,就是在机翼的后缘附近安装一个襟翼.襟翼绕轴能向后下方偏转,这样就增加了机翼的弯度,这有利于提高翼型的升力和升阻比.本次实验将以升力系数最大为设计目标,实 验过程中采 用AN S Y S中的D O E实验设计模块的数值模拟方法.实验步骤NA C A 后缘加简单襟翼后,数值模拟的状态如下:翼型的特征长度l;设计风速V m/s;雷诺数设定为R e ;简单襟翼的宽度bmm,高度h mm,偏转角q ;控制襟翼角度变化的形状变量设置两个,控制襟翼高度的形状变量设置一个;襟翼的角度变化范围是 至 ,襟翼的高度变化范围为mm至mm,以 升 力 系 数 最 大 为 襟 翼 的 优 化 目 标.运 用D O E实验设计方法计算NA C A 新增襟翼在高度和角度变化时翼型升力系数的变化.实验数据与分析 襟翼的高度不变 偏转角变化保持高度h mm不变化,襟翼的偏转角分别为 、.升力系数变化率、升阻比、升力系数和阻力系数变化统计如表所示.从该表可以看出,在襟翼高度 mm不发生变化时,随着偏转角从 到 每隔 变化时升力系数由小变大再变小,在 时达到了最大值.阻力系数变化规律和升力系数相同,在 时达到了最大值.升阻比随角度增加呈现先减小后增大的变化局势,在 时取得最小值.升力系数变化率也是由小变大,再由大变小.第期曹利刚:数值模拟的翼型气动性能优化研究表不同偏转角襟翼的气动系数不同襟翼升力系数阻力系数升阻比升力系数变化率/无襟翼 h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq h mmq 注:表中升力系数变化率计算时的基准值是角度为 时的 .襟翼的偏转角不变 高度变化保持偏转角q 不变化;高度分别取mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm和mm.升力系数变化率、升阻比、升力系数和阻力系数变化统计如表所示.从表可以看出,当偏转角 不变化时,当襟翼的高度从 mm到 mm之间每隔 mm变化一次,升力系数由小变大呈现单调增加的变化局势,阻力系数也呈现了由小变大单调增加的变化局势,升阻比呈现由大变小的单调减小变化局势,升力系数变化率也呈现由小变大的单调增加局势.综上可知,当襟翼的偏转角 时,升力系数达到了最大值,升阻比达到了最小值.在 时,增加襟翼的高度,升力系数逐渐升高,升阻比由大变小,升力系数变化率由小变大.所以偏转角为 时,增加襟翼的高度有利于改善翼型的综合性能.压力分布分析不同襟翼时翼型压力分布如图所示.得出,(a)、(b)、(c)三幅图的襟翼高度不变,随着偏转角不断增大,翼型下方深色阴影的面积由小变大,再由大变小,时,翼型下方代表正压力的深色阴影面积达到了最大值,此时襟翼受到的压力最大,因此升力系数得到了最大的提高.翼型前缘圆球状的大小没有变化,说明翼型前缘受到的升力基本无变化.对照(b)图和(d)图得知两幅图的襟翼偏转角度相同,(d)图襟翼的高度h mm,翼型下方圆球状的面积大,(b)图襟翼的高度h mm,襟翼下方的圆球状面积小,说明同样的偏转角时,在一定的范围内,增加襟翼高度可以增加翼型的升力.表不同高度襟翼的气动系数不同襟翼升力系数阻力系数升阻比升力系数变化率/无襟翼 hmmq hmmq h mmq hmmq hmmq hmmq hmmq hmmq 注:表中升力系数变化率计算时的基准值是角度为 时的 .总结本文首先把N A C A 翼型气动模拟的数值与D T U实验值进行对比,发现小角度攻角时模拟的升力系数和阻力系数非常准确.然后对襟翼D O E的多组数值模拟实验数据分析后得知:偏转角 时,增加襟翼的高度有利于改善翼型的综合性能,最后对翼型下方的压力分布模拟图形分析后同样可得:偏转角 时,增加襟翼的高度可杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷以增加翼型的升力,改善翼型的综合性能,所以数值模拟的方法为翼型的气动性能优化提供了理论支持.图NA C A 不同襟翼时翼型压力分布图参考文献:宋海辉低风速风电机组风轮气动优化设计及优化控制研究D北京:华北电力大学博士学位论文,邵华梅基于C F D和遗传算法的垂直轴风机翼型优化研究D南昌:东华理工大学硕士学位论文,吴志学水平轴风电机组叶片翼型气动性能优化研究D北京:华北电力大学硕士学位论文,叶 涛,刘 猛不同对称翼型H型风力机气动性能数值模拟研究J武汉理工大学学报,():马林静,陈 江,杜 刚,等风力机翼型气动特性数值模拟J太阳能学报,():(上接第页)结语通过R T K技术的实际应用,其技术优势主要有:()能够提高测量效率,速度快、差错少;提升测量强度,降低劳动强度,可一人操作,节省外测费用;()R T K平面精度以及高程精度都能够达到厘米,数据安全可靠,不存在误差累积;()R T K降低了作业条件要求,不受通视条件限制,作业更为方便;()R T K适应各种外业,内置专业软件可自动实现多种测绘功能,减少人工绘制.其不足之处主要为:()该技术的应用会受到网络信号的影响,当网络信号不能对测量范围进行覆盖时,就会影响测量结果(如地下隧洞、高山峡谷及密集森林等);()测量的数据还会受到空间环境的影响(如电离层的干扰性、共用的卫星数等);()数据链的传输干扰、测量作业半径的大 小 也 会 对 测 量 的 结 果 造 成 一 定 影 响.虽 然R T K技术还有一些不足,但其优点远远大于缺点,有些优点是常规测量方法无法比拟的,因而R T K技术在现代化测量中的应用越来越普及、越来越广泛.参考文献:王树锋 G P SR T K技术如何应用J科技信息,():李海文,李兴国,王家帮 G P SR T K技术在输水管线测量中的应用J水科学与工程技术,():冷常生 G P SR T K技术在地籍测量中的应用J黑龙江科技信息,():岳增田浅析G P S技术在公路勘测中的应用J全球定位系统,():第期曹利刚:数值模拟的翼型气动性能优化研究