【文章內(nèi)容簡介】 (22) 式中的L和D分別代表升力和阻力，單位為N；來流動壓頭為1/2 ρV2，單位是N / m2，c是弦長，單位是m；b是垂直于紙面的尺寸，單位是m， ρ為空氣密度。翼型是用來產(chǎn)生升力的，也就是說，要產(chǎn)生一個垂直于與翼型幾何弦成小角度的入射流的力。翼型的幾何形狀和作用在翼型上的力如圖23所示。相對速度V與翼型幾何弦的夾角叫攻角α。翼型的分布壓力有個合力(即升力)，這個合力和翼弦的交點稱為壓力中心。壓力中心的位置和翼面上的壓力具體分布情況有關(guān)系。當(dāng)攻角增大時(未出現(xiàn)大分離以前)，不僅上翼面的吸力和下翼面的壓力都增強了，而且吸力峰前移，結(jié)果壓力中心前移。Vα 圖23作用在翼型上的力從理論力學(xué)知道，一個平面力系是可以合成作用在某個指定點上的一個力和一個力矩。翼型上的分布壓力也可以合成一個力(升力)和一個力矩，這個力矩名為俯仰力矩。這個指定點是一個特殊的點，稱為氣動中心，或者焦點。不論攻角多大，壓力增大，壓力中心前移，壓力中心至氣動中心的距離縮短，結(jié)果力乘以力臂的積，即俯仰力矩保持不變。翼型上確有這樣的一個力矩值不變的點，是理論上證明了的。這一點的理論位置，薄翼型在距前緣1/4弦長處。實驗測得的略有出入，大多數(shù)普通翼型的氣動中心位于0. 23~0. 24弦長處，而層流翼型的則在0. 26~0. 27弦長處。俯仰力矩系數(shù)記為Cm，定義式如(23)所示。 (23)規(guī)定抬頭力矩為正，低頭力矩為負(fù)。俯仰力矩系數(shù)是翼型的重要氣動參數(shù)之一，計算全機的平衡時必須用到它。 影響氣動特性的主要因素 1) 雷諾數(shù) 影響低速翼型特性的最重要的流體因素是流體的粘性，它間接產(chǎn)生升力而直接產(chǎn)生阻力和造成流體分離。這種影響用翼型和流體組合的雷諾數(shù)來表示。 現(xiàn)代風(fēng)力機上翼型代表性的弦長(典型地在3/4葉展處)范圍是從小型風(fēng)力機的0. 3米到兆瓦級風(fēng)力機的2米。尖端速度通常是從45m/s到90m/s，因此水平軸風(fēng)力機葉片3/4葉展處的切向速度的范圍大概是從34m/s到68m/s。那么，對于風(fēng)力機翼型，雷諾數(shù)的范圍是從一直到。這表明風(fēng)力機翼型通常都不運行在敏感的低雷諾數(shù)范圍(一般低于)，在這個敏感范圍中，入射流湍流的變化、翼型自身的振動或翼型表面的粗糙度都會引起翼型性能的很大變化。 雷諾數(shù)對翼型的升力特性和阻力特性有著重要的影響。隨著雷諾數(shù)增加，升力曲線斜率增加，最大升力系數(shù)增加，失速攻角增加；隨著雷諾數(shù)增加，最小阻力系數(shù)減?。煌瑫r雷諾數(shù)增加，翼型升阻比也增加。在低雷諾數(shù)(Re)情況下，翼型表面從層流邊界層發(fā)展為完全分離和失速；在中等雷諾數(shù)(Re)情況下，翼型表面從層流邊界層經(jīng)過分離氣泡，再附著發(fā)展為湍流邊界層；在高雷諾數(shù)(Re)情況下，翼型表面從層流邊界層經(jīng)過轉(zhuǎn)捩發(fā)展為湍流邊界層。不同的邊界層發(fā)展情況對翼型空氣動力特性，特別是阻力特性有較大的影響。層流翼型有較低的阻力系數(shù)和較高的升阻比。 2) 粗糙度 翼型表面由于材料、加工能力以及環(huán)境的影響，使表面不可能絕對光滑，而總是凹凸不平。這些凹凸不平的波峰與波谷之間高度的平均值稱為粗糙度。 翼型表面的粗糙度對翼型氣動特性有直接影響。通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升力系數(shù)降低，阻力系數(shù)增加。當(dāng)然其影響程度還和雷諾數(shù)、翼型形狀等有關(guān)。通常翼型前緣向后到20~30%弦長處的上下表面對翼型氣動特性影響尤為顯著。 3) 湍流度 湍流度對翼型氣動特性也密切相關(guān)。通常情況下，湍流度增加，翼型的阻力系數(shù)和最大升力系數(shù)增加，最大升阻比減小。 4) 攻角 上面敘述的氣動特性大多是在中小攻角范圍內(nèi)的情況，在大攻角情況下其變化要復(fù)雜得多。風(fēng)力機葉片的工況是很寬的，不僅涉及小攻角情況，而且涉及到失速和大攻角范圍的升力和阻力特性。由于大攻角范圍的氣動特性變化較復(fù)雜，純理論計算很困難，因而大多依靠相應(yīng)的實驗和數(shù)值模擬得到較可靠的結(jié)果。3 數(shù)值模擬理論 邊界條件的確定 FLUENT提供了十余種類型的進(jìn)口、出口邊界條件[21]，下面將本文涉及到的邊界條件介紹如下： 1) 速度入口(velocityinlet)： 給定入口邊界上的速度及其他相關(guān)標(biāo)量值。該邊界條件適用于不可壓縮流動問題，對可壓縮問題不適合，否則該入口邊界條件會使入口處的總溫或總壓有一定波動。輸入量包括：速度大小、方向或各速度分量、周向速度(軸對稱有旋流動)、靜溫(考慮能量)等。 2) 壓力出口(pressureoutlet)：對于有回流的出口，壓力出口比自由出流更容易收斂。給定出口邊界上的靜壓強(表壓強)。該邊界條件只能用于模擬亞音速流動。如果當(dāng)?shù)厮俣纫呀?jīng)超過音速，該壓力在計算過程就不采用了。壓力根據(jù)內(nèi)部流動計算結(jié)果給定。其他量都根據(jù)內(nèi)部流動外推出邊界條件。該邊界條件可以處理出口有回流的問題，合理的給定出口回流條件，有利于解決有回流出口問題的收斂困難問題。出口回流條件需要給定：回流總溫(如果有能量方程)、湍流參數(shù)(湍流計算)、回流組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(有限速率模型模擬組分輸運)、混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其方差(PDF計算燃燒)。如果有回流出現(xiàn)，給定的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力。回流流動方向與出口邊界垂直。 3) 固壁邊界(wall)：對于黏性流動問題，F(xiàn)LUENT默認(rèn)設(shè)置是壁面無滑移條件。對于壁面有平移運動或者旋轉(zhuǎn)運動時，可以指定壁面切應(yīng)力和與流體換熱情況。壁面熱邊界條件包括固定熱通量、固定溫度、對流換熱系數(shù)、外部輻射換熱與對流換熱等。 kε模型 kε模型是兩方程湍流模型中最具代表性的，同時也是工程中應(yīng)用最為普遍的模式。湍流被稱為經(jīng)典力學(xué)的最后難題，原因在于湍流場通常是一個復(fù)雜的非定常、非線性動力學(xué)系統(tǒng)，流場中充滿著各種大小不同的渦結(jié)構(gòu)。整個湍流場的特征取決于這些渦結(jié)構(gòu)的不斷產(chǎn)生、發(fā)展和消亡，同時，這些渦結(jié)構(gòu)之間又不斷發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，這就使得對湍流現(xiàn)象的理解、描述和控制變得十分困難。對于單相流動，科學(xué)界已經(jīng)有較為成熟的湍流封閉模型。kε模型包括標(biāo)準(zhǔn)的kε模型，RNGkε模型和可實現(xiàn)的kε模型，下面簡單介紹一下[22]：1) 標(biāo)準(zhǔn)的kε模型： 最簡單的完整湍流模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，速度和長度尺度。在FLUENT中，標(biāo)準(zhǔn)kε模型自從被Launder和Spalding提出之后，就變成工程流場計算中主要的工具了。適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度。它是個半經(jīng)驗的公式，是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原型方程得到的。 應(yīng)用范圍：該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略，此標(biāo)準(zhǔn)kε模型只適合完全湍流的流動過程模擬。 2) RNG kε模型： RNG kε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)kε模型很相似，但是有以下改進(jìn)： a、RNG模型在ε方程中加了一個條件，有效的改善了精度。 b、考慮到了湍流旋渦，提高了在這方面的精度。 c、RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)kε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。 d、標(biāo)準(zhǔn)kε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。這些公式的作用取決于正確的對待近壁區(qū)域。這些特點使得RNG kε模型比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在更廣泛的流動中有更高的可信度和精度。 3) 可實現(xiàn)的kε模型： 可實現(xiàn)的kε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標(biāo)準(zhǔn)kε模型來有兩個主要的不同點：可實現(xiàn)的kε模型為湍流粘性增加了一個公式，為耗散率增加了新的傳輸方程，這個方程來源于一個為層流速度波動而作的精確方程。術(shù)語“realizable”，意味著模型要確保在雷諾壓力中要有數(shù)學(xué)約束，湍流的連續(xù)性。 應(yīng)用范圍：可實現(xiàn)的kε模