双元素翼帆推进特性的数值仿真研究

双元素翼帆推进特性的数值仿真研究

1代风助航船舶流动控制方法硬翼船是一种新型的无动力游轮推进器。由于其环保节能的特点，它已被广泛应用于各种大型船只上。1980年日本将两个高12.15m，宽8m的圆弧形风帆安装在世界上第一艘现代风帆助航商船“新爱德丸”号上，经过四年实际航行证明：该船与传统船舶相比，平均每年节能8.5%为了改善翼帆的推进特性，人们采用了多种不同的流动控制方法，可分为主动控制和被动控制。主动控制方法已经应用的有可控环量翼帆1996年，Daniel为了更好地了解翼帆在船舶运动时的气动特性，本文主要开展在船舶静水航行时翼帆的推进特性和失速机理，通过雷诺平均N-S方程研究襟翼几何参数变化（襟翼旋转轴位置、襟翼偏转角等）对二元素翼帆推进特性的影响，分析规律背后的作用机理，为二元素翼帆的设计提供参考依据。2物理模型和数值方法2.1飞机模型的构建基于初步模拟和先前的研究2.2进口边界条件为了避免边界对于二元素翼帆外流场的影响，其计算域必须保证足够大，本文选定的计算域为长方体（32c×30c×10c），如图5所示，翼帆前缘到计算域进口的距离是12c，翼帆尾缘到计算域出口的距离是20c，翼帆表面到迎风面和背风面的距离都是15c。计算域的进口边界条件设置为速度入口，考虑到海平面梯度风变化，指定来流速度、方向和湍流强度；出口边界条件设置为压力出口，压力大小等于远场压力。考虑到本文讨论在静水状态下的二元素翼帆的失速问题，将翼帆底部（也就是计算域底面）的边界条件设置为标准无滑移边界条件，本文暂不研究船体表面边界层对翼帆展向流场的影响且考虑到计算成本，计算域底面边界层暂不考虑。2.3纤维网格划分为了更好地模拟出二元素翼帆的推进特性和流动情况，采用ANSYSICEM非结构化网格对计算域模型进行网格划分，为了精确地模拟出主翼尾流、缝隙射流和襟翼边界层之间区域的流动情况，对间隙网格和壁面网格进行了细化加密（见图6），间隙网格大小设置为0.4545%c（如果网格数为9.86×10为了保证网格数量对二元素翼帆的推进性能不产生影响，在雷诺数Re=5×10为了进一步验证网格可靠性，还分析了Re=5×102.4数值仿真及模型拟合为了准确预测翼帆的推进特性和失速特性，选用ANSYSFluent对三维模型进行数值仿真，控制方程采用雷诺平均N-S方程，为了精确预测非定常工况时旋涡的流动情况，选用k-ωSST模型为了确保数值模拟的可信度，将NACA0018翼型在自由流环境下的升力和阻力系数与实验结果3结果分析3.1双因素翼帆性能分析升力系数和阻力系数是衡量翼帆推进性能重要的无量纲参数，为了定量地描述二元素翼帆的升阻特性，本文定义二元素翼帆的升力系数C式中F3.1.1压力大时压力大，失速角小首先选择襟翼旋转轴位置X二元素翼帆的升力特性曲线如图11(b）所示，在失速发生前升力系数随襟翼偏转角的增加而增加，失速角减小；当襟翼偏转角达到25°时，由于襟翼偏转角过大，流过缝隙的流体不足以补充主翼尾流的能量损失，失速大幅度提前发生。而图11(a）中的升力特性发生变化，在低襟翼偏转角（5°～15°）时随着襟翼偏转角的增加，失速角并没有减小，这是由于襟翼偏转角与缝隙流动之间的耦合作用，襟翼旋转轴位置X3.1.2参数：倾斜滑动轴的位置对飞机的倾斜特性的影响为了更好地研究襟翼旋转轴位置的改变对翼帆的推进特性和延迟失速的作用，本文分析了攻角在6°和15°时襟翼旋转轴位置X3.2流场绩效分析3.2.1不同流场分布首先分析了襟翼偏转角为15°，攻角为15°时不同襟翼偏转轴位置时，翼帆在中截面的流线分布，如图14所示。可以发现，在X图15为不同襟翼旋转轴位置时双二元素翼帆吸力面的静压和极限流线分布图，从图中可以看出，在襟翼偏转角为15°时，随着襟翼旋转轴位置的后移，主翼吸力面的角区分离从叶根部向叶顶扩展，回流面积增大，在X3.2.2云速度分析为了更好地分析X3.2.3截面压力载荷分布为了比较失速前后不同襟翼偏转角时翼帆的压力载荷分布情况，本文分析了X图18为不同襟翼旋转轴位置时翼帆中截面的压力载荷分布情况，从图18(a）中可以看出，在较低的襟翼偏转角（δ=15°）时，随着襟翼旋转轴位置的后移，主翼前缘的最低压力升高，这不利于维持大的升力系数；而在较高的襟翼偏转角（δ=25°）时，随着襟翼旋转轴位置的后移，主翼吸力面的低压区压力下降，提升了主翼的升力系数，而X4压力和阶段失速时压力分布的变化通过研究襟翼几何参数对二元素翼帆推进特性的影响，得出以下结论：(1）在选择襟翼几何参数时需综合考虑襟翼旋转轴位置、襟翼偏转角以及缝隙宽度等因素。襟翼旋转轴位于不同主翼位置时，翼帆的升力系数随襟翼偏转角的变化规律并不相同，当X(2）在低襟翼偏转角，当失速发生时，升力系数随襟翼旋转轴位置后移先增大后减小，主翼吸力面的角区分离从叶根部向叶顶扩展，回流面积越来越大。在高襟翼偏转角，当失速未发生时翼帆升力系数随襟翼旋转轴位置后移一直增大，从85%到95%时升力系数突升。因此，襟翼旋转轴位置不宜过于靠前或靠后，当相对缝隙宽度为2.4%时襟翼旋转轴位置为85%时较为合理。(3）襟翼偏转角为15°，攻角为15°时，在X(4）襟翼旋转轴位置的前移距离受到了襟翼偏转角的限制。在襟翼偏转角为25°，攻角为6°时，当X缝隙宽度是影响主翼尾流分离和襟翼吸力面流动分离的重要因素，其大小受到襟翼旋转轴位置和襟翼偏转角的共同影响，在调整襟翼偏转角获取较大升力系数的同时需考虑襟翼旋转轴位置的限制，以保证合理的失速角范围。图13显示了