流過曲率面的粘性流體薄翼理論的探討

汪一舟 董泉潤

摘 要：現(xiàn)如今，大部分學(xué)者針對粘性流體進(jìn)行薄翼理論探究，以往所得的研究結(jié)果不夠全面，這在一定程度上會對后續(xù)研究活動起到阻力作用，同時，薄翼理論得不到豐富和完善。本文首先對薄翼理論做了基本介紹，在此基礎(chǔ)上，探究了粘性流體（流過曲率面）的薄翼理論，希望能為相關(guān)研究學(xué)者提供思路，以及參考依據(jù)，這對粘性流體特點(diǎn)介紹具有重要意義。

關(guān)鍵詞：曲率面；粘性流體；薄翼理論

粘性流體通過薄翼理論予以分析，在實(shí)際分析期間應(yīng)采用RANS方程式優(yōu)化分析流程，解決分析過程中遇到的問題，以此提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，這對問題解決方案合理化制定，流過曲率面的粘性流體探究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過螺旋槳這一案例進(jìn)行分析，以此充實(shí)論文內(nèi)容，為論文開展提供有力依據(jù)。

1 薄翼理論基本介紹

薄翼理論尚未形成之前，設(shè)計(jì)完成后的飛行物體薄翼往往存在翼型過厚、分離明顯等現(xiàn)象，這在一定程度上會導(dǎo)致實(shí)際升力與理論說面上存在較大偏差，進(jìn)而會加大飛行物體阻力，基于此，應(yīng)完善薄翼理論，針對理論中涉及的力矩問題、焦點(diǎn)位置問題、升力系數(shù)設(shè)置問題逐一解決。后來，在總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際飛行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行薄翼假設(shè)，即以中弧線形狀創(chuàng)新翼型，借助儒可夫斯基升力定理設(shè)置合理的升力系數(shù)，最終生成薄翼理論基本方程。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，適當(dāng)彎度的機(jī)翼能夠大大減小空氣阻力，進(jìn)而薄翼理論基本方程需要再次補(bǔ)充[1]。

在了解薄翼理論的基礎(chǔ)上，分析粘性流體（流過曲率面）的動力性能，有利于豐富薄翼理論，深入分析粘性流動的動力性能。

2 流過曲率面的粘性流體薄翼理論探究

2.1 螺旋槳水動力性能的分析方法

常用分析方法主要有四種，第一種方法即升力線法，該方法實(shí)際分析中往往會降低求解準(zhǔn)確性，不利于充分彰顯水動力性能分析效果；第二種方法即升力面法，這種方法是在薄翼理論和第一種方法的基礎(chǔ)上形成的，該方法應(yīng)用后由于片面描述螺旋槳形狀，進(jìn)而槳葉壓力會零散分布，同時，計(jì)算精度得不到提高；第三種方法即面元法，這種方法能夠有效處理空泡問題，全面描述螺旋槳形狀，有效彌補(bǔ)升力面應(yīng)用方面存在的問題，與此同時，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的翼身能夠應(yīng)用這一方法進(jìn)行分解分析。分析水動力性能的過程中，雖然第二種方法和第三種方法能夠具體預(yù)報(bào)，但這僅限于勢流基礎(chǔ)之上，計(jì)算時會忽視粘性影響，進(jìn)而計(jì)算完成后需要再次調(diào)整和修正。第四種方法即應(yīng)用RANS方程的CFD法，該方法能夠?qū)⑸鲜鋈N方法應(yīng)用過程中存在的問題妥善解決，即在了解問題的基礎(chǔ)上，制定適合的解決方案，充分發(fā)揮水動力性能分析效果[2]。

隨著粘性流體復(fù)雜度的不斷增加，相關(guān)商業(yè)軟件不斷出現(xiàn)，適用性最強(qiáng)、適用效果最好的RANS方程解決軟件應(yīng)運(yùn)而生，即利用CFD代碼分析法進(jìn)行流場預(yù)報(bào)，現(xiàn)如今，LES法能夠在倒車敞水螺旋槳模擬中發(fā)揮重要作用。

2.2 RANS粘流方法具體應(yīng)用

2.2.1 尺度效應(yīng)

螺旋槳敞水試驗(yàn)準(zhǔn)備的過程中，要想提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，優(yōu)化試驗(yàn)效果，應(yīng)首先遵循相關(guān)準(zhǔn)則，必要時根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)遵循相似準(zhǔn)則，以此形成實(shí)際流動和模擬實(shí)驗(yàn)間的不同，這也是粘性尺度效應(yīng)形成的依據(jù)。為了彰顯試驗(yàn)代表性，全面分析尺度效應(yīng)大小，對此應(yīng)探索適合的修正方法，以此優(yōu)化螺旋槳水動力性能分析效果[3]。

2.2.2 非常規(guī)螺旋槳性能

它能夠?yàn)槎税鍢?、管槳、半潛槳（SSP）、吊倉式螺旋槳推進(jìn)器（POD）等裝置研究提供正向引導(dǎo)。原有的預(yù)報(bào)方法存在應(yīng)用誤差，對此應(yīng)創(chuàng)新預(yù)報(bào)方法，CFD技術(shù)應(yīng)用的過程中，能夠全面分析物理機(jī)制，這是對以往研究方法的有效突破，與此同時，還能在空泡性能研究、伴流影響等方面表現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)勢。但CFD法在其他動力效應(yīng)分析、航向穩(wěn)定性預(yù)報(bào)等方面存在應(yīng)用不足，這也是今后相關(guān)研究者分析的重點(diǎn)。

2.2.3 空泡誘導(dǎo)脈動壓力

由于這一壓力對空泡間斷性較強(qiáng)，并且預(yù)報(bào)能力相對較弱，因此，現(xiàn)有的預(yù)報(bào)工作均在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，為了更好的了解螺旋槳空泡特性，針對泡空泡、局部片空泡、云空泡、片狀超空泡、梢渦空泡等多種空泡現(xiàn)象全面掌握，應(yīng)用LES方法能夠充分彰顯非定?？张菽M精度的應(yīng)用優(yōu)勢，同時，還會改善空泡起始。除此之外，CFD法能夠全面解析空泡效應(yīng)，對其進(jìn)行準(zhǔn)確的量化測試。

2.2.4 船/槳/舵及附體相互干擾流動的水動力

掌握粘性流體薄翼理論能夠針對舵表面已有的“負(fù)拉力”有效降低，并且還能通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式提高推進(jìn)速度。特殊類型的螺旋槳在實(shí)際應(yīng)用中會產(chǎn)生空化梢渦以及尾渦兩種現(xiàn)象，進(jìn)而會直接腐蝕槳表面、破壞舵的完整性。船體后部流場還會在舵、船體、附體、螺旋槳的共同作用下增加復(fù)雜性，進(jìn)而槳的水動力性能在分析期間應(yīng)全面考慮尾部流場狀況。相關(guān)研究學(xué)者通過運(yùn)動重疊網(wǎng)格法分析螺旋槳工作環(huán)境，同時，全面分析舵這一影響因素，并且計(jì)算分析獨(dú)立槳敞水性能，最后能夠發(fā)現(xiàn)，要想全面分析水動力性能，應(yīng)在具體研究中將船體、槳、舵及相關(guān)附體視為同一整體[4]。

3 結(jié)論

綜上所述，以螺旋槳水動力性能分析為例，探究流過曲率面的粘性流體的薄翼理論，這不僅能夠創(chuàng)新分析方法，而且還會提高薄翼理論的應(yīng)用效果。這對薄翼理論豐富具有重要作用，有利于為后續(xù)研究活動奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳進(jìn)格，劉鵬寅，竺曉程.薄翼非定常氣動力的渦方法計(jì)算[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2014，35（07）：13001303.

[2]劉獻(xiàn)禮，張安山，李茂月.環(huán)形刀3軸銑削小曲率面的刀具切觸幾何分析[N].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（04）：611.

[3]王展智，熊鷹，齊萬江.船后槳的布局對螺旋槳水動力性能的影響[N].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（04）：427431.

[4]賀偉，李廷秋，李子如.船用復(fù)合材料螺旋槳水動力性能影響因素研究[J].中國造船，2015，56（04）：119128.