開(kāi)設(shè)內(nèi)槽翼型的水動(dòng)力性能數(shù)值模擬

解學(xué)參，常晟銘，王超*，郭春雨

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)船舶的快速性以及操縱性能有了更高的要求。水下翼型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)越，利于船舶的減阻和節(jié)能，常用于舵和減搖鰭的設(shè)計(jì)之中。舵作為船舶的操縱裝置，其設(shè)計(jì)一方面要考慮船舶的快速性而減小其阻力，另一方面也要考慮船舶的回轉(zhuǎn)性，即能夠在其有效舵角處提供較大的升力。目前，對(duì)舵的改進(jìn)有2 種方式：一種是通過(guò)增加一些小裝置來(lái)改進(jìn)舵結(jié)構(gòu)；另一種是對(duì)參照舵的翼型進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)第1 種方式，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。王獻(xiàn)孚［1］研究了普通襟翼舵、射流襟翼舵、轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱舵、開(kāi)孔等方式對(duì)舵升力的影響，并分析了其提升舵升力的作用機(jī)理。Liu 等［2］在舵上增加一個(gè)擾流片對(duì)一半平衡舵進(jìn)行了改進(jìn)，取得了不錯(cuò)的效果。對(duì)于第2 種改進(jìn)方式，也有很多研究成果。Ni 等［3-7］采取在翼型上開(kāi)設(shè)內(nèi)槽和增設(shè)前緣結(jié)節(jié)的方式對(duì)翼型進(jìn)行了改進(jìn)，并驗(yàn)證了這2 種方式改進(jìn)翼型的可行性。陸尊琦［8］等通過(guò)將翼型改進(jìn)為多段翼的形式，使翼型的水動(dòng)力性能有了顯著提升。容亮灣和張旭等［9-10］優(yōu)化了翼型型線(xiàn)，雖然過(guò)程較為繁瑣，但優(yōu)化效果十分理想。戈亮和張凱等［11-12］也針對(duì)翼型予以了研究。

上述改進(jìn)方法對(duì)舵的水動(dòng)力性能均有不同程度地的提升，但針對(duì)各個(gè)改進(jìn)方式的具體改進(jìn)方法還沒(méi)有研究全面，為此本文擬采用開(kāi)設(shè)內(nèi)槽的方式對(duì)NACA0012 翼型的水動(dòng)力性能進(jìn)行優(yōu)化，探究?jī)?nèi)槽開(kāi)設(shè)的形式、位置以及內(nèi)槽寬度對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響，從而為船舵、減搖鰭等翼型的改進(jìn)提供思路。

1 湍流模型

本文對(duì)二維翼型進(jìn)行計(jì)算。基于STAR-CCM+軟件的限制，不能采用大渦模擬（LES）或者分離渦模擬（DES）模型進(jìn)行計(jì)算，只能使用RANS 模型。通過(guò)比較幾種RANS 模型的計(jì)算結(jié)果，最終選擇了效果最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，基于未知量可以得到相應(yīng)的控制方程［13］：

式中：ρ 為流體密度；xi和xj為位移；ui為時(shí)均速度；μ 和μt為湍動(dòng)黏度；Gk和Gb分別為梯度和浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；C1ε，C3ε，C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；YM為湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張；σk和σε分別為和k ，ε相對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶(hù)定義的源項(xiàng)。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 網(wǎng)格模型的建立

本文選取的翼型為NACA0012，翼型的弦長(zhǎng)c取1 m。

計(jì)算域如圖1 所示。取左側(cè)邊界為速度進(jìn)口，其與翼型左緣距離2 倍弦長(zhǎng)；右側(cè)為壓力出口，其與翼型左緣距離6 倍弦長(zhǎng)；上、下邊界定義為滑移壁面，均與翼型相距2 倍弦長(zhǎng)，設(shè)置翼型上、下邊為壁面。在翼型存在攻角的情況下，定義順時(shí)針?lè)较虻墓ソ菫檎怠?/p>

圖1 流場(chǎng)域分布圖Fig.1 Fluid field distribution diagram

在網(wǎng)格的劃分上，流場(chǎng)域選用的網(wǎng)格為切割體網(wǎng)格，邊界層處的網(wǎng)格為棱柱層網(wǎng)格。網(wǎng)格從翼型尾渦的最遠(yuǎn)處附近開(kāi)始，逐漸朝著翼型周?chē)用堋Ｈ粢硇烷_(kāi)設(shè)了內(nèi)槽，翼型內(nèi)槽處要加密。網(wǎng)格具體的劃分如圖2 和圖3 所示。

圖2 改進(jìn)前翼型的網(wǎng)格劃分Fig.2 The meshing of initial hydrofoil

圖3 開(kāi)設(shè)內(nèi)槽后翼型的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of hydrofoil with inner groove

邊界層處的網(wǎng)格劃分如圖4 所示。棱柱層為18 層，一般保證邊界層處Y+值為20 左右。平板湍流邊界層的厚度σ 用經(jīng)驗(yàn)公式求解：

圖4 邊界層處網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of boundary layer

式中：x 為特征長(zhǎng)度，本文指翼型舷長(zhǎng)；Rex為雷諾數(shù)。

可以求得邊界層的厚度為0.023 m，近壁第1層棱柱層的厚度為4.67×10-4m。

2.2 初始條件和邊界條件的設(shè)定

本文的求解方式為定常求解。材料為液體，其流動(dòng)方式為分離流，其密度和動(dòng)力黏性系數(shù)為25 ℃的液態(tài)水參數(shù)，即密度為997.561 kg/m3，動(dòng)力黏性系數(shù)為8.887 1×10-4Pa·s。確定的雷諾數(shù)為106，因此流速設(shè)置為0.891 m/s。

2.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，準(zhǔn)備了3 套基準(zhǔn)值不同的網(wǎng)格來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性。網(wǎng)格數(shù)之間的差異如表1 所示。

將不同改進(jìn)形式翼型在10°攻角時(shí)的升力系數(shù)同實(shí)驗(yàn)值［14］進(jìn)行對(duì)比，以1 m 弦長(zhǎng)的未改進(jìn)翼型為例，具體的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Table 1 Grid independence verification

由表1 的對(duì)比結(jié)果可知，中網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格的誤差均在1.5%以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足本文的計(jì)算和分析要求。經(jīng)綜合考慮，將采用中網(wǎng)格開(kāi)展相關(guān)研究。

3 翼型的改進(jìn)方式

為了獲得更好的阻力性能，開(kāi)設(shè)的內(nèi)槽需要流線(xiàn)型的形式，且2 個(gè)槽口出口都應(yīng)與吸力面相切，以有效引導(dǎo)流動(dòng)。因此，采用圖5 和圖6 所示的2 個(gè)半徑相同的圓或形式相同的橢圓來(lái)引入翼型上的內(nèi)槽［3］。

圖5 中：圓1 和圓2 半徑相同；圓1 與y 軸及翼型上表面相切；而圓2 則只與翼型上表面相切。2個(gè)圓中心之間的水平距離定義為內(nèi)部槽的寬度w ，這可通過(guò)調(diào)節(jié)2 個(gè)圓的半徑r 來(lái)控制。因此，寬度w 和半徑r 是決定徑向槽效率的2 個(gè)主要參數(shù)。

圖5 翼型圓形槽的開(kāi)設(shè)方式Fig.5 The opening method of hydrofoil circular groove

圖6 中，長(zhǎng)、短軸比值為2 的橢圓1 與橢圓2 均與翼型上表面相切，而橢圓1 同時(shí)還與y 軸相切。兩橢圓的水平距離w 即為內(nèi)槽寬度，而決定內(nèi)槽形式的參數(shù)則為w 與橢圓長(zhǎng)、短軸的長(zhǎng)度。

圖6 翼型橢圓槽的開(kāi)設(shè)方式Fig.6 The opening method of hydrofoil oval groove

4 圓形內(nèi)槽對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

4.1 開(kāi)槽位置對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

在改進(jìn)翼型水動(dòng)力性能的過(guò)程中，內(nèi)槽的位置會(huì)對(duì)改進(jìn)效果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。通過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)，翼型內(nèi)槽若開(kāi)設(shè)在尾緣，水動(dòng)力性能會(huì)有所下降。因此，選擇距前緣0.2c，0.3c，0.5c 這3個(gè)位置進(jìn)行開(kāi)槽，槽的寬度w 均為0.1c，并對(duì)各改進(jìn)形式翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比進(jìn)行比對(duì)。具體的3 種改進(jìn)翼型與改進(jìn)前翼型的水動(dòng)力性能對(duì)比如圖7～圖8、表2～表3 所示。

由圖形和數(shù)據(jù)可知，3 種翼型的改進(jìn)方式均使翼型的阻力系數(shù)有所下降，升力系數(shù)有所上升，從而起到了改進(jìn)翼型水動(dòng)力性能的作用。而通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比內(nèi)槽開(kāi)設(shè)在不同位置的水動(dòng)力性能可以看出，將翼型的內(nèi)槽開(kāi)設(shè)在前緣改進(jìn)效果更明顯。

圖7 圓形內(nèi)槽寬度為0.1c 時(shí)不同開(kāi)槽位置升力系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of lift force coefficients at different grooved positions when the width of the circular inner groove is 0.1c

圖8 內(nèi)槽寬度為0.1c 時(shí)不同開(kāi)槽位置阻力系數(shù)對(duì)比Fig.8 Comparison of drag coefficients at different grooved positions when the width of the circular inner groove is 0.1c

表2 圓形內(nèi)槽寬度為0.1c 時(shí)不同開(kāi)槽位置升阻比對(duì)比Table 2 Comparison of lift-drag ratio at different grooved positions when the width of the circular inner groove is 0.1c

表3 圓形內(nèi)槽寬度為0.1c 時(shí)不同開(kāi)槽位置失速角對(duì)比Table 3 Comparison of stall angles at different grooved positions when the width of the circular inner groove is 0.1c

通過(guò)對(duì)比距前緣0.2c 和0.3c 這2 個(gè)位置的升力系數(shù)、阻力系數(shù)及升阻比可以發(fā)現(xiàn)，在更為靠近翼型前緣的0.2c 處，翼型的水動(dòng)力性能較距前緣0.3c 處開(kāi)槽的水動(dòng)力性能略有下降。由此可知，翼型開(kāi)設(shè)內(nèi)槽的位置越靠近翼型前緣，其水動(dòng)力性能的提升越明顯，但若過(guò)于接近前緣，對(duì)水動(dòng)力性能的影響往往會(huì)適得其反。如圖7 所示，通過(guò)對(duì)比各內(nèi)槽開(kāi)設(shè)位置的失速角，即升力系數(shù)急劇下降時(shí)的攻角大小，發(fā)現(xiàn)在翼型前緣0.2c 處開(kāi)設(shè)的內(nèi)槽的失速角最大，即有最為優(yōu)良的失速性能。因此，最理想的開(kāi)設(shè)內(nèi)槽位置為前緣0.2c 處。

4.2 內(nèi)槽寬度對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

一般來(lái)說(shuō)，翼型的開(kāi)槽寬度也是翼型改進(jìn)的一個(gè)重要參數(shù)。選取內(nèi)槽寬度分別為0.05c，0.1c，0.15c，開(kāi)槽位置均選距翼型前緣0.2c 的位置，通過(guò)對(duì)比相關(guān)的水動(dòng)力參數(shù)，選擇最佳的開(kāi)槽寬度。具體的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比的相關(guān)對(duì)比如圖9～圖10、表4～表5 所示。

圖9 翼型前緣0.2c處不同開(kāi)槽寬度升力系數(shù)對(duì)比（圓形內(nèi)槽）Fig.9 Comparison of lift coefficients with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（circular groove）

圖10 翼型前緣0.2c處不同開(kāi)槽寬度阻力系數(shù)對(duì)比（圓形內(nèi)槽）Fig.10 Comparison of drag coefficients with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（circular groove）

表4 翼型前緣0.2c 處不同開(kāi)槽寬度升阻比對(duì)比（圓形內(nèi)槽）Table 4 Comparison of lift-drag ratio with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（circular groove）

表5 翼型前緣0.2c 處不同開(kāi)槽寬度失速角對(duì)比（圓形內(nèi)槽）Table 5 Comparison of stall angles with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（circular groove）

由以上不同開(kāi)槽寬度對(duì)升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比的對(duì)比可以看出，在有效舵角范圍內(nèi)，不同開(kāi)槽寬度均對(duì)翼型的水動(dòng)力性能有顯著提升效果；在失速效應(yīng)中，幾種開(kāi)槽寬度翼型的失速角有所延后。

通過(guò)對(duì)比不同內(nèi)槽寬度翼型的水動(dòng)力性能可知，若開(kāi)設(shè)的內(nèi)槽過(guò)于狹窄，翼型改進(jìn)的效果將不明顯?？偟膩?lái)看，開(kāi)設(shè)的內(nèi)槽寬度為0.15c 時(shí)水動(dòng)力性能最優(yōu)，有較大的升力系數(shù)及良好的減阻效果。

因此，本節(jié)改進(jìn)翼型的最佳形式為在翼型前緣0.2c 位置開(kāi)設(shè)的寬度為0.15c 的內(nèi)槽。

5 橢圓內(nèi)槽對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

5.1 開(kāi)槽位置對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

由上節(jié)研究結(jié)果可知，將內(nèi)槽開(kāi)設(shè)在翼型前緣對(duì)翼型水動(dòng)力性能的改進(jìn)效果較為明顯。經(jīng)綜合考量，開(kāi)槽位置選為距翼型前緣0.2c 和0.3c 處，為控制變量，選擇內(nèi)槽寬度均為0.15c。將其升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比、失速角等水動(dòng)力性能參數(shù)與原始翼型以及最優(yōu)圓形內(nèi)槽的翼型進(jìn)行對(duì)比，如圖11～圖12、表6～表7 所示。

對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)綜合分析可知，翼型在開(kāi)設(shè)橢圓形式的內(nèi)槽后，整體水動(dòng)力性能會(huì)較開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽的有一定程度的提升，尤其是升力效應(yīng)的提升。

圖11 橢圓內(nèi)槽寬度為0.15c 時(shí)不同開(kāi)槽位置升力系數(shù)對(duì)比Fig.11 Comparison of lift coefficients at different grooved positions when the width of the oval inner groove is 0.15c

圖12 橢圓內(nèi)槽寬度為0.15c 時(shí)不同開(kāi)槽位置阻力系數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of drag coefficients at different grooved positions when the width of the oval inner groove is 0.15c

表6 內(nèi)槽寬度為0.15c時(shí)不同開(kāi)槽位置升阻比對(duì)比（橢圓內(nèi)槽）Table 6 Comparison of lift-drag ratio at different grooved positions when the width of the inner groove is 0.15c（oval groove）

表7 內(nèi)槽寬度為0.15c時(shí)不同開(kāi)槽位置失速角對(duì)比（橢圓內(nèi)槽）Table 7 Comparison of stall angles at different grooved positions when the width of the inner groove is 0.15c（oval groove）

在翼型開(kāi)設(shè)橢圓形式的內(nèi)槽后，通過(guò)對(duì)比內(nèi)槽距前緣0.2c 和0.3c 這2 個(gè)位置的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比可以發(fā)現(xiàn)：其位置越接近翼型前緣，其對(duì)翼型水動(dòng)力性能的提升越明顯；在內(nèi)槽距前緣0.2c 位置翼型的失速效應(yīng)較為優(yōu)異。綜上所述，橢圓內(nèi)槽對(duì)翼型水動(dòng)力性能的提升比圓形內(nèi)槽更為優(yōu)秀，且最佳開(kāi)設(shè)內(nèi)槽的位置是距前緣0.2c 位置。

5.2 開(kāi)槽寬度對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響

由以上對(duì)開(kāi)設(shè)不同寬度圓形內(nèi)槽翼型的水動(dòng)力性能的分析可以得出，若要有較好的水動(dòng)力性能，需保證內(nèi)槽要有一定的寬度。因此，本節(jié)選擇寬度為0.1c 和0.15c 的橢圓形式內(nèi)槽進(jìn)行研究，開(kāi)設(shè)內(nèi)槽的位置均為距前緣0.2c 處。具體的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比的對(duì)比如圖13～圖14、表8～表9 所示。

圖13 翼型前緣0.2c 處不同開(kāi)槽寬度升力系數(shù)對(duì)比Fig.13 Comparison of lift coefficients with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil

圖14 翼型前緣0.2c處不同開(kāi)槽寬度阻力系數(shù)對(duì)比（橢圓內(nèi)槽）Fig.14 Comparison of drag coefficients with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（oval groove）

表8 翼型前緣0.2c 處不同開(kāi)槽寬度升阻比對(duì)比（橢圓內(nèi)槽）Table 8 Comparison of lift-drag ratio with different grooved width at 0.2c on the leading edge of the hydrofoil（oval groove）

由數(shù)據(jù)可以得出，翼型在開(kāi)設(shè)橢圓形式的內(nèi)槽時(shí)，與開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽相同，都需要保證一定的寬度，若內(nèi)槽寬度較小，其失速效應(yīng)、水動(dòng)力性能等會(huì)差于在翼型上開(kāi)設(shè)的圓形內(nèi)槽。經(jīng)綜合對(duì)比開(kāi)設(shè)寬度為0.1c 和0.15c 橢圓內(nèi)槽的水動(dòng)力性能，發(fā)現(xiàn)橢圓內(nèi)槽的最佳開(kāi)槽形式是在距翼型前緣0.2c位置開(kāi)設(shè)0.15c 寬的內(nèi)槽，且其改進(jìn)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽的改進(jìn)形式。

6 改進(jìn)翼型機(jī)理分析

6.1 開(kāi)設(shè)內(nèi)槽方式翼型改進(jìn)機(jī)理分析

由以上分析可知，在翼型上開(kāi)設(shè)內(nèi)槽能夠改善翼型的水動(dòng)力性能。下面，就翼型通過(guò)開(kāi)槽改進(jìn)這一手段來(lái)分析相關(guān)的作用機(jī)理。

由圖15 所示的翼型改進(jìn)前、后速度場(chǎng)卷積圖不難發(fā)現(xiàn)，在翼型上開(kāi)設(shè)一向尾緣方向傾斜的內(nèi)槽會(huì)使內(nèi)槽處的流速增大。此外，從速度場(chǎng)的對(duì)比中不難得出，改進(jìn)前的翼型在20°攻角時(shí)已經(jīng)發(fā)生明顯失速現(xiàn)象，即翼型上表面流動(dòng)不暢，使得翼型的升力大幅降低；而開(kāi)設(shè)內(nèi)槽后，翼型的失速效應(yīng)大幅提高，在20°攻角時(shí)不會(huì)發(fā)生失速。取分割后的右側(cè)部分進(jìn)行分析，一方面，在升力方向，開(kāi)槽處的流速會(huì)大于翼型下方的流速，根據(jù)伯努利原理，翼型下方的壓力會(huì)遠(yuǎn)大于內(nèi)槽處壓力，從而為翼型提供更大的升力；另一方面，在阻力方向，開(kāi)槽處的流速會(huì)大于翼型尾緣的流速，根據(jù)伯努利原理，在阻力方向翼型會(huì)受到一個(gè)和阻力方向相反的力，從而減小阻力。由此，可得出改進(jìn)翼型能夠增大升力，減小阻力的原因。具體的壓力場(chǎng)分布可以從圖16 中看出。

而若將翼型的開(kāi)槽位置進(jìn)行改變，即將內(nèi)槽開(kāi)設(shè)在翼型尾緣方向位置，由于翼型前緣部分體積較大，取翼型的左側(cè)部分進(jìn)行分析，通過(guò)圖17可知，翼型內(nèi)槽處的壓力低于翼型下表面處壓力，因而其會(huì)受到更大的阻力和更小的升力。因此，改進(jìn)翼型的水動(dòng)力性能的改進(jìn)效果就會(huì)大打折扣，甚至若開(kāi)槽位置過(guò)后，還會(huì)使改進(jìn)后翼型的水動(dòng)力性能有所下降。

圖15 20°攻角時(shí)改進(jìn)前、后翼型速度場(chǎng)卷積圖對(duì)比Fig.15 The convolution diagram of velocity field of hydrofoil without and with inner groove at 20°attack angle

圖16 20°攻角時(shí)改進(jìn)前、后翼型壓力場(chǎng)對(duì)比Fig.16 The pressure field of hydrofoil without and with inner groove at 20°attack angle

圖17 20°攻角時(shí)內(nèi)槽距首緣0.2c 和0.5c 位置翼型壓力場(chǎng)對(duì)比Fig.17 The pressure field of hydrofoil at 20°attack angle（at 0.2c and 0.5c on the leading edge of the hydrofoil）

如圖18 所示，經(jīng)對(duì)比不同寬度內(nèi)槽對(duì)翼型水動(dòng)力性能的影響可以發(fā)現(xiàn)，若內(nèi)槽寬度過(guò)小，內(nèi)槽處與翼型下表面的壓力差會(huì)較小，提供的升力和與阻力方向相反的力會(huì)相對(duì)偏小。因此，需保證內(nèi)槽要有一定的寬度。

6.2 開(kāi)設(shè)不同形式內(nèi)槽翼型改進(jìn)機(jī)理分析

由上節(jié)可知，翼型在開(kāi)設(shè)橢圓形式的內(nèi)槽后，其水動(dòng)力性能的提升效果會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽的翼型。二者的壓力場(chǎng)差異如圖19 所示。下面，將就這一問(wèn)題分析相關(guān)的作用機(jī)理。

由圖19 可以得出，翼型在開(kāi)設(shè)橢圓內(nèi)槽后，由于橢圓形狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，翼型內(nèi)槽尾緣方向表面的壓力分布會(huì)較開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽時(shí)偏低。將壓力分量疊加后發(fā)現(xiàn)，開(kāi)設(shè)橢圓形式內(nèi)槽后的翼型會(huì)有更大的升力，阻力性能也會(huì)優(yōu)于開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)槽的情況。

圖18 20°攻角時(shí)內(nèi)槽寬度0.05c 和0.15c 翼型壓力場(chǎng)對(duì)比Fig.18 The pressure field of hydrofoil with 0.05c and 0.15c width inner groove at 20°attack angle

圖19 20°攻角時(shí)圓形內(nèi)槽和橢圓內(nèi)槽翼型壓力場(chǎng)對(duì)比Fig.19 The pressure field of hydrofoil with circular inner groove and oval inner groove at 20°attack angle

7 結(jié) 論

本文利用數(shù)值模擬方法，通過(guò)開(kāi)設(shè)內(nèi)槽的方式對(duì)NACA0012 翼型進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)的方式進(jìn)行了機(jī)理分析。主要得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于本文研究的NACA0012 翼型，最佳開(kāi)槽形式是在距翼型前緣0.2c 位置開(kāi)設(shè)寬度為0.15c 的橢圓形內(nèi)槽。這種開(kāi)槽形式一方面能夠增大翼型的升力，減小阻力；另一方面較改進(jìn)之前會(huì)有更為優(yōu)異的失速性能。

2）在采用開(kāi)設(shè)內(nèi)槽方式對(duì)翼型的水動(dòng)力性能進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，在形式上，應(yīng)選擇橢圓形式的內(nèi)槽；在位置上，應(yīng)選擇翼型前緣附近為宜；在寬度上，應(yīng)保證一定寬度以保證流場(chǎng)的平穩(wěn)流動(dòng)。

3）開(kāi)設(shè)內(nèi)槽這種方式能夠提升翼型水動(dòng)力性能的主要原因在于，傾斜的內(nèi)槽能增大內(nèi)槽處流速，進(jìn)而能夠產(chǎn)生較大的升力，較小的阻力，從而起到改進(jìn)翼型水動(dòng)力性能的效果；此外，橢圓形內(nèi)槽由于其結(jié)構(gòu)形式，會(huì)形成面積更大的高速區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生更佳的改進(jìn)效果。

由于本文研究的是一個(gè)二維模型，這會(huì)使水動(dòng)力性能的相關(guān)計(jì)算結(jié)果具有一定的局限性，在以后的研究中，可使用三維模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究。翼型的改進(jìn)方式多種多樣，在以后的研究中可不局限于開(kāi)設(shè)內(nèi)槽這一種改進(jìn)方式，而應(yīng)采用多種方式，從而選擇一種最佳的翼型改進(jìn)方式。