大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)攻角板設(shè)計(jì)

楊義奎，商敬淼

(1.四川誠正工程檢測(cè)技術(shù)有限公司，四川成都610000；2.西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，四川成都610031)

數(shù)值模擬技術(shù)是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)在計(jì)算機(jī)上模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)的變化，并求解結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載參數(shù)的方法［2］。CFD技術(shù)不但能節(jié)約試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)周期，而且與試驗(yàn)相比可以獲得非常詳盡的信息資料，有助于對(duì)問題進(jìn)行多方面模擬分析，以便研究事物的本質(zhì)和發(fā)生的機(jī)理。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的日新月異，采用CFD對(duì)鈍體繞流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲取結(jié)構(gòu)物表面風(fēng)壓及風(fēng)速流線的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)需要準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)所在位置包括風(fēng)剖面、風(fēng)向角等在內(nèi)的多項(xiàng)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境特征［3，4］，在計(jì)算流體力學(xué)出現(xiàn)前，只能根據(jù)結(jié)構(gòu)外形和參照以前類似試驗(yàn)來粗略設(shè)計(jì)攻角板，且難以保證風(fēng)向角平穩(wěn)段能夠滿足試驗(yàn)需要。隨著CFD技術(shù)日益成熟，采用數(shù)值模擬技術(shù)輔助設(shè)計(jì)攻角板模擬來流風(fēng)攻角，為風(fēng)洞試驗(yàn)提供參考。在風(fēng)洞試驗(yàn)后，也可以用數(shù)值模擬分析結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。

1 數(shù)值建模

1.1 控制方程

湍流模型采用廣泛使用的剪切壓力輸運(yùn)的k-ω湍流模型(SSTk-ω)，它是一種在工程上得到廣泛應(yīng)用的混合模型，在近壁面保留了原始的k-ω模型，在遠(yuǎn)離壁面的地方應(yīng)用了k-ε模型，其渦粘系數(shù)和k方程以及ω方程為：

式中：τij為雷諾應(yīng)力，其中vt為湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，可以用湍動(dòng)能k和耗散率ω來表示：

在SSTk-ω湍流模型中湍動(dòng)能k和耗散率ω表達(dá)式如下：

式中：Ω代表渦量，y代表距壁面的距離；F2=tanh

SSTk-ω模型由Menter［5］提出，核心思想是近壁面利用k-ω模型的魯棒性，以捕捉到粘性底層的流動(dòng)。而在主流區(qū)域利用k-ε模型又可以避免k-ω模型對(duì)入口湍動(dòng)參數(shù)過于敏感的劣勢(shì)，SSTk-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型在在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可靠性，因此在本文計(jì)算中選取該模型。

1.2 求解域及網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)的攻角板需要滿足大氣邊界層風(fēng)洞常用風(fēng)攻角的使用要求。攻角板由直線段和圓弧段兩段組成，直線段長度2.51 m，圓弧段半徑2.38 m，弧長1.032 m，通過調(diào)整支撐高度，使風(fēng)攻角在-3～3°范圍內(nèi)根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整。本文選取了某已建成大氣邊界層風(fēng)洞尺寸作為計(jì)算域，計(jì)算域高4.5 m，寬15 m，采用ANSYSICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計(jì)算雷諾數(shù)Re=26400，第一層網(wǎng)格高度為0.000 28 m，y+控制在1以內(nèi)，網(wǎng)格擴(kuò)展率為1.05，總網(wǎng)格數(shù)量約10萬，計(jì)算域及網(wǎng)格見圖1～圖3。

圖1 數(shù)值模擬求解域及邊界條件

圖2 整體網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格細(xì)部

1.3 邊界條件

(1)流場(chǎng)入口采用速度入口邊界條件(Velocity-Inlet)，U=10 m/s。

(2)頂部和底部采用對(duì)稱邊界條件(Symmetry)。

(3)流場(chǎng)出口采用壓力出流邊界條件(Pressure-Outlet)。

(4)攻角板表面采用無滑移的壁面條件(Wall)。

1.4 計(jì)算方法

方程組求解采用采用了SIMPLE算法。對(duì)流項(xiàng)的離散采用了二階迎風(fēng)格式；壓力項(xiàng)采用二階格式；湍動(dòng)能和耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。迭代的收斂標(biāo)準(zhǔn)為所有控制方程的相對(duì)迭代殘余量均小于，且同時(shí)各監(jiān)測(cè)位置的風(fēng)速基本不發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為所得流場(chǎng)進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 正攻角結(jié)果

模擬正攻角時(shí)，沿來流方向直線段擺放在前端，圓弧段擺放在后端，擺放位置如表1所示。根據(jù)不同的攻角板擺放位置，在風(fēng)洞試驗(yàn)室中采用Cobra Probe多通道風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，風(fēng)速儀架設(shè)位置在x=4.5 m和5.5 m處，并提取0.56 m和0.67 m兩種不同高度處數(shù)值模擬計(jì)算得到的風(fēng)攻角和風(fēng)速數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4、圖5所示。

表1 正攻角擺放方式

從圖4和圖5可以看出，在x=4.5～5.5 m范圍內(nèi)，數(shù)值模擬與風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)的風(fēng)攻角基本一致，與風(fēng)速入口最大風(fēng)速差0.5 m/s，能夠滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

2.2 負(fù)攻角結(jié)果

模擬負(fù)攻角時(shí)，沿來流方向圓弧段擺放在前端，直線段擺放在后端，擺放位置如表2所示。根據(jù)不同的攻角板擺放位置，在風(fēng)洞試驗(yàn)室中采用Cobra Probe多通道風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，風(fēng)速儀架設(shè)位置在x=5.5 m和6.5 m處，并提取0.56 m和0.67 m兩種不同高度處數(shù)值模擬計(jì)算得到的風(fēng)攻角和風(fēng)速數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2.3～2.4所示。

圖4 0.56 m和0.67 m高度處風(fēng)攻角

圖5 0.56 m和0.67 m高度處風(fēng)速

表2 負(fù)攻角擺放方式

從圖6和圖7可以看出，在x=5.5～6.5m范圍內(nèi)，數(shù)值模擬與風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)的風(fēng)攻角基本一致，但與風(fēng)速入口處最大風(fēng)速差接近1 m/s，因此建議采用x=6～6.5m范圍內(nèi)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

圖6 0.56 m和0.67 m高度處風(fēng)攻角

2.3 渦量圖

圖8 ～圖13表示-3～3°攻角下的渦量圖，圖中橫縱坐標(biāo)表示流場(chǎng)位置。

如圖8～圖13所示，在0.5 m高度以上，不同的攻角板的擺設(shè)均沒有引起流動(dòng)分離，未產(chǎn)生大的旋渦，可以滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

圖8 1°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

圖9 2°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

圖10 3°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

圖11 -1°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

圖12 -2°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

圖13 -3°風(fēng)攻角渦量圖，-1＜ωz≤1

3 結(jié)論

本文采用CFD數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)了用于大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)攻角模擬的攻角板，并通過Cobra Probe多通道風(fēng)速儀對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，分析得出如下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬得到的+3～-3°不同攻角的結(jié)果與風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果一致，可以滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求。

(2)考慮攻角板對(duì)試驗(yàn)風(fēng)速的影響，正攻角擺放時(shí)，建議采用試驗(yàn)范圍為x=4.5～5.5m，負(fù)攻角擺放時(shí)，建議采用試驗(yàn)范圍為x=6～6.5m。

(3)攻角板的擺放沒有引起大的流動(dòng)分離。

(4)采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)輔助設(shè)計(jì)攻角板模擬來流風(fēng)攻角，是一種便捷有效的方法。