低速風洞拐角段的流動控制減阻研究*

鄒　琳　熊　燦　胡　勇　汪　秒

(武漢理工大學機電工程學院　武漢　430070)

低速風洞拐角段的流動控制減阻研究*

鄒琳熊燦胡勇汪秒

(武漢理工大學機電工程學院武漢430070)

摘要：采用k-ε湍流模型對具有不同空間布局及數(shù)量導流片的低速風洞拐角段進行了三維全流場數(shù)值分析，得到減阻抑振的導流片空間布置參數(shù).研究表明,導流片的布局、數(shù)目、弦長對拐角段導流片壓力分布、渦量分布及全流場速度分布均會產(chǎn)生直接影響.通過不同安裝形式的拐角段導流片對比分析，8片等差間距布置各導流片均具有較均衡的低阻力系數(shù)(均在0.5左右)和低脈動升力系數(shù)(均在0.4左右)，具有更好的減阻減振效果從而提高整體結構的使用壽命，并得到了更均衡的流場品質(zhì).

關鍵詞：低速風洞；k-ε湍流模型；導流片；流動控制

鄒琳(1970- )：女，博士，副教授，主要研究領域為計算流體力學及流體機械設計

0引言

風洞是空氣動力學研究和飛行器研制的最基本的試驗設備，在環(huán)保、建筑、橋梁、汽車等領域得到了廣泛的應用[1].低速風洞是指馬赫數(shù)小于0.4的風洞.常規(guī)低速回流式風洞中，氣流要通過4個90°的拐角段，一方面很容易產(chǎn)生流動分離，以及出現(xiàn)對流，造成流動不均勻從而影響氣流品質(zhì)；另一方面，氣流經(jīng)過這些拐角段也會產(chǎn)生較大的能量損失[2].為了盡量減小氣流經(jīng)過拐角段時產(chǎn)生流動分離、對流以及能量損失，工程應用中常采用改變壁面粗糙度、拐角的幾何形狀、合理布置導流片的控制方法[3-4].

針對導流片的合理布置，國內(nèi)學者也對拐角的流動進行研究后并提出了一些不等間距、變徑等獨特的分布方式，并對導流片進行了數(shù)值模擬并取得一定成果[5-6].龍血松等[7]提出通過導流片的設計，可以降低或者消除90°彎頭內(nèi)導流片內(nèi)部的復雜狀態(tài).此外，通過選擇合適形狀和數(shù)量的導流片，并采用適當?shù)妮o助裝置，可以達到降低噪聲和減少能耗的效果[8-12].

目前主要是通過改變導流片外形參數(shù)和迎角等方法以降低氣流通過導流片時所產(chǎn)生的能耗和噪聲.本文將研究重點放在不同導流片安裝組合下的低速風洞拐角段流場的三維全流場數(shù)值分析，探討不同安裝組合對各導流片升阻力系數(shù)、壓力分布和拐角段速度分布的影響.

1幾何模型及邊界條件

1.1幾何模型

圖1為本文低速風洞拐角段的幾何模型(以等間距8導流片的情形為例).氣流以40 m/s的速度從X軸正方向流入，從Y軸正方向流出.為保證氣流能較好地通過拐角段，拐角段為等截面，截面尺寸為1 390 mm ×1 150 mm，入口長度為3 000 mm，出口長度為4 000 mm，拐角半徑為320 mm.

本文主要采用了無導流片、等間距8導流片、等差間距8導流片、等間距16導流片、增大弦長等間距8導流片這5種不同的拐角段形式來分析改變導流片間距、增加導流片數(shù)目、增大導流片弦長對氣流通過拐角段時對全流場流動特性所產(chǎn)生的影響.

圖1　拐角段幾何模型示意圖

1.2計算模型

本文采用k-ε湍流模型，將流動視為不可壓縮流動，控制方程的離散采用有限差分法，空間離散采用二階精度的QUICK差分格式，在時間上采用二階隱式格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法.

圖2　網(wǎng)格局部放大示意圖

網(wǎng)格劃分.采用結構性網(wǎng)格劃分.為了更好地反映流場特征，對導流片周圍網(wǎng)格進行加密；此外，由于壁面附近附面層的存在，氣流參數(shù)沿壁面法向變化梯度很大，需對壁面附近網(wǎng)格進行加密.導流片環(huán)向節(jié)點數(shù)目為88個，沿Z方向，網(wǎng)格呈均勻分布，Z方向節(jié)點數(shù)目為30.圖2為網(wǎng)格局部放大示意圖.

邊界條件.入口邊界給定均勻速度分布，大小為40 m/s，出口邊界給定壓力出口，參考壓力為0.其他表面采用固壁無滑移邊界條件.

2計算結果分析

2.1升阻力系數(shù)

圖3為在40 m/s來流下各組導流片(從遠離拐角段曲率中心處的導流片開始編號)的升阻力系數(shù)(此處Cd為阻力系數(shù)，Cl為脈動升力系數(shù)).圖3 a)，b)表明：對比等間距8導流片，等差間距8導流片組在中間3片導流片有較為明顯的減阻效果，能夠減少能量耗散；增大弦長組在第3片之后的導流片有較為明顯的減阻效果；16導流片組的阻力系數(shù)則變化較大，在第1片和第9片處得到兩個峰值，這不利于提高整體結構的使用壽命.從圖3c)，d)可見，各組導流片的脈動升力變化趨勢同阻力系數(shù)變化趨勢大體相同.總體來說等間距組各導流片具有較均衡的阻力系數(shù)(均在0.5左右)和脈動升力系數(shù)(均在0.4左右)，具有更好的減阻減振效果從而提高整體導流片的使用壽命并能有效的提高風洞試驗段的流場品質(zhì).

圖3　各組導流片的升阻力系數(shù)

2.2壓力分布

圖4為拐角段中間截面壓力分布圖.圖4a)為未安裝導流片的情形，在離心力的作用下，氣流在拐彎時外壁的壓力增高而內(nèi)壁的壓力降低，由于外壁處的擴散效應和內(nèi)壁處的收縮效應，氣流發(fā)生分離及對流，造成流動不均勻.在拐角段布置導流片均能較好的緩解這種現(xiàn)象，其中等間距組與等差間距組(見圖4b)，c))的壓力分布最為均勻，無明顯負壓區(qū)，對氣流品質(zhì)的改善效果最為明顯.

2.3渦量分布

圖5為拐角段中間截面渦量分布圖(左上角區(qū)域為導流片附近的局部放大).其中：圖5c)，d)，e)3組的渦量值更大，分別出現(xiàn)12 916，27 238，25 061 s-1的渦，而圖5b)組的渦量分布較為均勻，最大值僅為11 804 s-1.這說明氣流通過(圖5b))組時碰撞減弱了很多，故流動損失更小，這和圖3b)能夠得到最小的阻力系數(shù)相吻合.同時從局部放大圖可以看出，導流片間距越小，單個導流片尾流影響會消失的越快.

2.4出口速度分布

圖6為拐角段出口截面速度分布.由圖6可見，圖5b)組由于流動損失最小，得到了最均勻的出口速度分布，大部分區(qū)域速度值為39.9 m/s，其余區(qū)域處于37.7 m/s附近，c)組次之.d)，e)兩組改善效果不明顯.

圖4　拐角段中間截面壓力分布

圖5　拐角段中間截面渦量分布

圖6　拐角段出口截面速度分布

3結論

1) 等間距組各導流片具有較均衡的阻力系數(shù)(均在0.5左右)和脈動升力系數(shù)(均在0.4左右)，具有更好的減阻減振效果從而提高整體結構的使用壽命，并能得到更均衡的流場品質(zhì)；

2) 減小導流片的間距，用較多的窄導流片代替較少的寬導流片會導致各導流片的阻力分布不均衡，使部分導流片具有壓力和脈動升力峰值，不利于延長整體結構的使用壽命.

參 考 文 獻

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中圖法分類號：TH47

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.004

收稿日期：2014-11-10

Numerical Study of Flow Control and Drag Reduction
on the Corner of Low-speed Wind Tunnel

ZOU LinXIONG CanHU YongWANG Miao

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityof

Technology,Wuhan430070,China)

Abstract：This paper presents a numerical study of three-dimensional(3-D) flow past the corner of the low-speed wind tunnel placing with the different arrangement and the different number of the inducers was investigated by using the k-εturbulence model. The full field vorticity and velocity distributions as well as force coefficients were calculated in detail and the flow structures were presented. The results show that the drag, the vorticity and the velocity were directly affected by different ways of arrangement and selecting the inducers. Comparing with the different configured inducers, the eight-evenly-placed arrangement can get the more uniform drag (all of them are about 0.5), the lower drag coefficients and the lower fluctuating lift coefficients. It indicated that the number and the shape of the inducers have important combined effects on drag reduction and vibration suppression and hence have significant effects on the flow quality of the corner of the low-speed wind tunnel.

Key words：low-speed wind tunnel; k-εturbulence model; inducer; flow control

*國家自然科學基金面上項目(批準號：11172220)、高等學校博士學科點專項科研基金項目(批準號：200804971025)資助