雷诺数对低速对称翼型气动性能的影响

雷诺数对低速对称翼型气动性能的影响

目前，用于风动机叶片的翼型有两种：1）航空翼型及其训练型，如naca系列；2）风景机特殊类型，如美国nrels系列、瑞典ffaw系列和荷兰du系列。在垂直轴风力机中,由于对其翼型的研究相对于水平轴风力机来说较少,且其翼型必须满足升力系数大、阻力系数小,以及阻力系数要对称于零升力角等特性;所以,实际中,NACA的4位数系列对称翼型是经常使用的翼型。NACA的4位数系列翼型是美国NACA最早建立的一个低速翼型系列,与早期的其他翼型相比,有较高的升力系数和较低的阻力系数。本文采用Fluent软件,对NACA0012、NACA0015和NA-CA0018翼型的气动性能进行了数值模拟计算。1计算值的值1.1自由剪切流的k方程通过对不同湍流模型数值模拟的尝试和比较,本文采用了k-ω的SST湍流模型。该模型具有良好的稳定性和收敛性,能精确预报压力梯度流动的对数层,并且对自由来流的湍流度也不敏感。k方程:ω方程:混合函数的表达式为:同时,由于原始k-ω模型没有考虑湍流剪切应力的输运,Menter认为,这会导致对于涡黏性的过分估计;因此,提出应该使用以下公式对涡黏性进行限制:式中,F2是类似F1的混合函数,用来修正F1在自由剪切流中的误差;S是表示张力的常量。这就是以k-ω模型为基础的SST模型。1.2湍流扩散长度和进口压力u本文取弦长为1.0m的翼型作为研究对象,建立长度为20倍的翼型弦长,以及宽度为10倍的翼型弦长计算区域,如图1所示。进口abcde给定为速度进口,自由来流的湍流度为1%,湍流扩散长度为0.01m。出口afe为压力出口,表压力给定为零,湍流度和湍流扩散长度与进口一样。翼型表面gmhng满足壁面无滑移条件。离散格式均采用2阶迎风离散格式,压力速度的耦合采用SIMPLEC算法。1.3计算网格划分使用CFD的专业前处理软件Gambit生成用于Fluent6.3软件的计算网格。网格为C型四边形网格,翼型NACA0018的计算网格如图2所示,1个单元区域,4个面区域,网格划分后,上、下翼型布置161个节点,且有48370个单元,97287个面,48917个节点。2不同攻角的影响为了研究雷诺数变化对低速对称翼型气动性能的影响,本文计算了雷诺数为0.16×106、0.36×106、0.7×106、1.0×106和2.0×106时翼型的气动特性。雷诺数的变化通过改变流速度实现,计算攻角为0°~22°的升力系数Cl、阻力系数Cd随攻角α的变化曲线。同一雷诺数时,计算值与试验值的比较如图3所示,其中,α为攻角。从图3可以看出,所选翼型中,在攻角α<12°的范围内,对3种翼型所计算的升力系数和阻力系数与试验值非常接近,说明CFD软件对于翼型升力和阻力的模拟计算已经很精确,具有可信度。当α>12°时,计算值和试验值差别较大,且翼型NACA0012差别最大,只有翼型NACA0018的计算值与试验值最接近,且计算值的最大升力系数大于试验值,阻力系数小于试验值。这是由于采用的试验方法不同,选取的湍流模型等不同,以及试验仪器的精度等导致的差异。随着攻角的增加,翼型NACA0012的升力系数达到最大后迅速下降,而NACA0018相比其他2个翼型下降最慢,且阻力系数上升也最慢。随着相对厚度的增加,计算值和试验值越来越接近,这主要是因为在相对厚度(0.06~0.18)的范围,翼型临界迎角和最大升力系数都随着相对厚度的增加而增大。从图3中还可以看出,随着雷诺数的增加,翼型的气动特性越来越好;而且对于同一翼型,随着雷诺数的增加,升力系数的计算值越来越接近试验值,这主要是由于黏性效应的影响。从以上分析可知,翼型NACA0018具有更好的气动性能。为了更加准确地研究雷诺数对翼型NACA0018气动性能的影响,可对气动特性进行深入分析,不同雷诺数对翼型NACA0018气动性能的影响如图4所示。通过分析图4中雷诺数对翼型NACA0018气动性能的影响可以发现,随着攻角的增加,不同的雷诺数所对应的Cl、Cd和Cl/Cd差别越来越大,这是因为雷诺数低时,边界层的黏性效应增加会导致叶片翼型表面摩擦阻力增加,从而限制翼型最大升力系数的增加。通过研究还可以发现,雷诺数越小,翼型越先失速,这是因为雷诺数越小,黏性越大,阻力越大,越容易发生边界层分离。从图4c还可以看出,在攻角为10°时,翼型NACA0018发生边界层分离,攻角α为10°、12°14°的速度云图和速度矢量图如图5所示。从图5可以看出,攻角为10°时,未发生边界层分离;攻角为12°时,在尾缘处开始出现边界层分离;当攻角为14°时,在尾缘形成明显的涡,出现边界层分离现象。由此可知,对于翼型NACA0018的最佳攻角为10°。3气动性能分析本文运用数值模拟计算,研究了雷诺数对低速对称翼型气动性能的影响,由计算结果分析得出以下结论。1)随着雷诺数的增加,翼型的气动特性越好;而且对于同一翼型,随着雷诺数的增加,升力系数的计算值越来越接近试验值。随着翼型相对厚度的增加,其计算值也越接近试验值;因此,翼型NA-CA0018具有更好的气动性能。2)雷诺数越大,升力系数越大,阻力系数越小,所以升阻比越大;雷诺数越小,黏性越