小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究

能源研究与信息

第2 5卷第4期

E n e r g y R e s e a r c h a n d I n f o r m a t i o n

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文毒编号： 1 0 0 8 8 8 5 7 ( 2 0 0 9 ) 0 4— 0 2 4 0— 0 5

小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究张鹏，叶舟(上海理大学能源与动力工程学院， 海2 0 0 0 9 3 ) 摘要： 基于三维 R A NS方程，分别选用 R N G k - E和R S M(雷诺应力模型)两种湍流模型对

NR E L￥ 8 0 9翼型进行了 C F D数值模拟，得到翼型的气动性能，并对比其计算结果结果表明： 随着攻角的增大，翼型边界层会产生分离。翼型边界层分离前，两种湍流模型模拟结果与实验数据有一定误差，但基本一致。翼型边界层分离后，模拟结果与实验数据相差较大，特别

是随着攻角增大，流场内湍流运动加剧，模拟结果误差也随之增大。因此，边界层的分离是影响模拟结果的重要因素。

关键词：翼型：￥ 8 0 9;湍流模型；数值模拟 中图分类号： T K8 3 文献标识码： A

存风力机口寸‘片的设计过程中，翼型的选择往往被忽略，认为重要的是叶片的造型，如扭曲规律等。其实风力机叶片翼型的气动性能是影响风力机风能利用效率的个关键因素，合理选择翼型是叶片气动设计过程中的一个重要环节。￥ 8 0 9翼型是美国围家可再生能源实验室

( NR E L, Na t i o n a l R e t a i n a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y )开发的用于风力机叶片中部的专用翼型。这个翼型的气动性能将直接影响到风力机的总体效率¨’。准确的翼型数据对风力机没计者来说是非常重要的，然而准确的实验数据并不是总能得

到，这时必须依赖数值计算。随着计算机硬件及软件技术的发展，C F D技术成为研究风力机翼型的重要手段。由于受计算条件的限制，采用湍流模型封闭控制方程仍是当今 C F D技术的主流。为了研究翼型边界层分离对数值模拟的影响，本文采用 R N G七和 R S M两种湍流模型对 NR E L￥ 8 0 9翼型进行计算

,得到翼型的气动性能，并与实验数据相对比。

1 物理模型N R E L￥ 8 0 9翼型如图 l所示，其最大相对厚度为弦长的 2 1%。为了与实验数据相比较， 计算时将翼型弦长定为 0 . 6 m,翼型沿展向延伸 0 . 5 m生成三维翼型。本文中翼型计算区域采用 C— H犁，进口及计算区域的外边界距翼型 6倍的弦长，出口处距翼型 l 2倍的弦长，如图 2所示。收稿日期：2 0 0 9~ 0 1 1 3

作者简介：张鹏 ( 1 9 8 3),男 (汉),硕士研究生，z z p l1 98 3@一

1 63. co m

第 4期

张鹏，等： 小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究

出口

图

1 N R E L￥ 8 0 9翼型

图 2计算区域示意图 (二维)F i g . 2 S k e t c h ma p o f Co mp u t a t i o n a l Do ma i n ( 2 D)

F i g . 1 NRE L￥ 8 0 9 Ai r f o i l

2数值模型2 . 1控制方程

对三维不可压缩粘性流体的稳态湍流流动， 采用 R A NS方程连续方程

堕： 0出

动量方程UJ

堕=一 —《 ( v J — O _【=一— ++— x 国x O x 、

~ U~ M ) )

( 2 ) ) 一

式中，X i、x j ( 1, 2, 3; _/=1, 2, 3 )为三维笛卡儿坐标；U卜u j ( 1, 2, 3;= 1, 2, 3 )为速度；P为流

体的密度；P为流体的压力； 为流体的运动粘度系数。2 . 2湍流模型

为讨论不同湍流模型在翼型边界层分离前后的适用性，分别选用 R NG k - e和R S M两种湍流模型对翼型￥ 8 0 9进行数值模拟。2 . 3初始条件初始条件就是给出初始时刻的速度、压力、密度和温度等的分布，由于是稳态问题，所

以初始条件取 C F D软件默认设置。2 . 4边界条件

翼型表面都设为无滑移壁面，计算区域的外边界设为压力远场，展向的两个端面设为周

期性边界条件。雷诺数取 1× 1 0。。2 . 5网格的划分

网格划分质量的好坏直接影响计算精度和稳定性。由于湍流流动受壁面的影响很大，网格在翼型表面

附近和尾部区进行加密。为能够准确地捕捉翼型表面流场情况和求解到翼型上的空气动力负载，翼型表面上布置 2 0层边界层网格，第一层网格厚度为 0 . 0 1 mm。三维翼型及附近壁面网格分布如图 3,网格单元数约为 6 0 0 0 0 0。

3计算结果和分析在同一雷诺数下，采用 R NG七 和R S M湍流模型，计算了攻角从一 1 . 0 4。到2 0 . 1 6。变化范围内￥ 8 0 9的气动性能。

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图 3三维￥ 8 0 9翼型模型网格分布F i g . 3 Gr id s Di s t r i b u t i o n f o r 3 D Ai r f o i l￥8 0 9

3 . 1升力系数和阻力系数

图 4和图 5分别为 R NG庀和 R S M湍流模型计算的翼型升力、阻力系数曲线与实验值的对比图。从图 4可以看出：两种模型所计算升力系数都与实验数据有一定偏差，当攻角低于 9 . 2 l o时，R NG七 与R S M模型计算结果都低于实验数据，但 R S M模型较接近实验数据；当 攻角大于 9 _ 2 1。时， R N G 与R S M模型计算结果都与实验值有较大的偏差。从图 5可以看出： 在攻角低于 9 . 2 1。时，两种模型计算的阻力系数都和实验数据基本一致；当攻角大于 9 . 2 l。时， 两种模型计算出的阻力系数与实验数据相对比都出现较小偏差；但当攻角大于 I 7 . 2 l。时，两种

模型计算的阻力系数与实验数据偏差较大。l 2

1 O

o . 8R

童0 6

0 4

0

5

l O

1 5

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2 5

O

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2 O

2 5

攻角

攻角n

图 4升力系数曲线F i g . 4 Li f t Co e fi c i e n t Gr a p h

图 5阻力系数曲线F i g . 5 Dr a g Co e ic f i e n t Gr a p h

3 . 2流场分析

通过图 6和图 7对比两种湍流模型的计算结果，可得：随着攻角的增大，两种模型都在攻角为 9 . 2 1。时发生分离，并伴随着涡的形成。分离前，两种模型的速度流线图没有明显差别， 且升力与阻力系数都与实验数据相近，因此，在分离前，两种

湍流模型都适用。由于分离的产

生，两模型的速度流线图在尾缘处有明显的差别日 .两种湍流模型都很难模拟分离流动的二维特性，特别是随着攻角增大，流场内湍流运动加剧，模拟结果与实验数据相差更大。因此分离后升力与阻力系数都与实验数据相差很大。

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张鹏，等：小攻角下翼型边界层分离对数值模拟结果的影响研究

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( a )攻角= 7 . 1 8。 R NG足下模型

( b )攻角= 7 . 1 8。R S M模型

图 6攻角= 7 . 1 8。时，R N G k - e模型和 R S M模型速度流线对比Fi g . 6 Co mp a r i s o n o f v e l o c i t y s t r e a ml i n e s b e t we e n RNG—￡ mo d e l a n dRSM M od el a t a n a n gl e of a t t a c k=7. 1 8。

( a )攻角= 9 . 2 1。R NG k - c模型

( b )攻角= 9 . 2 1。R S M模型

图 7攻角： 9 . 2 1 时，R NG七 模型和 R S M模型速度流线对比Fi g . 7 Co mp a r i s o n o f v e l o c i t y s t r e a ml i n e s b e t we e n RNG七 Mo d e l a n d

RS M Mo d e l a t a n a n g l e o f a t t a c k = 9 . 2 1。

4结论CF D技术是研究翼型的一种重要手段，也是今后发展趋势。湍流模型计算的准确性与适

用性是今后的研究重点。本文采用两种湍流模型对 N R E L￥ 8 0 9翼型进行了 C F D数值模拟，得到翼型在不同攻角下的气动性能和流场分布，并与实验数据进行对比分析，得出以下结论： ( 1 )通过 C F D数值模拟的方法研究翼型的气动性是可行的。

( 2 )翼型边界层分离前，两种湍流模型模拟结果与实验数据基本一致。翼型边界层分离后，模拟结果与实验数据相差较大。这说明，边界层的分离是影响模拟结果的重要因数。( 3 )湍流模型的选择对 C F D数值模拟的准确性至关重要。 参考文献：【 l 1黄继雄 .风力机专用新翼型及其气动特性研宄[ D] .汕头大学

, 2 0 0 1 .

f 2】 王福军.计算流体动力学分析[ M] .北京：清华大学出版社， 2 0 0 4 .[ 3】 吴望一.流体力学 (下册)[ M] .北京：北京大学出版社， 2 0 0 6 .

【 4】熊螫魁.湍流模式理论综述[ J] .武汉理工大学学报， 2 0 0 1, 2 8 ( 4 ): 5 1— 5 5 .『 5】张涵信 .分离流与旋涡运动的结构分析[ M] .北京：国防工业出版社， 2 0 0 5 .

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2 0 0 9年第 2 5卷

[ 6 J F l u e n t I n c . G A MB I Tu s e r ' s g u i d e[ M] . F l u e n t I n c ., 2 0 0 3 . f 7 J WO L F E Wa i t e r P’ OC H S S t u a￣S . C F D C a l c u l a t i o n s o f￥ 8 0 9 A e r o d y n a mi c C h a r a c t e r i s t i c s[ J] . Al 9 97 .1 8.

P a p e r

I n lue f n c e o f bo un da r y— l a y e r s e p a r a t i o n o f a e r o f o i l un de r s ma l l a ng l e o f a t t a c k o n t he n um e r i c a l s i m ul a t i o n

ZHANG Pe ng, YE Zho u

( C o l l e g e o f E n e r g y& P o w e r E n g i n e e r i n g, Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y, S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 . C h i n a )Abs t r ac t: Ba s e d on t he t h r e e— d i me ns i o na l RANS.a n ume r i c a l s i mu l a t i on on NREL￥8 0 9 a i r f o i l wa s c a r r i e d o u t wi t h RNG足一￡a n d RS M t u r b u l e n c e mod e l s r e s p e c t i v e l y .Th e a i fo r i l a e r od y na mi cp e fo r r ma n c e wa s p r

o v e d a nd a c o mp a r i s o n o f t h e r e s ul t s f r o m t h e t wo mo de l s wa s ma d e . Th e r e s u l t s

s h owe d t ha t a i r f o i l bo u n da r y l a y e r s e p a r a t e s wi t h t h e i n c r e a s i n g a n g l e o f a t t a c k.Be f o r e t h e

s e p a r a t i o n . t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e b a s i c a l l y c o n s i s t e n t wi t h t h e e x p e r i me n t a l d a t a d e s p i t e s o mee r r o r s .Ho we v e r,t h e d i fe r e nc e s b e t we e n s i mul a t i o n r e s u l t s a n d e x p e r i me n t a l da t a b e c o me mu c h l a r g e r a te f r s e p a r a t i o n .Al o n g wi t h t h e i n c r e a s e o f a n g l e o f a t t a c k .t h e t ur b u l e n t lo f w i s i n t e n s i ie f d a n d e r r o r s o f s i mu l a t i o n r e s u l t s a l s o i n c r e a s e .Th e r e f or e .i t pr o ve d t ha t t h e s e p a r a t i o n o f a e r o f o i lb ou n d a r y 1 a ye r i s a v i t a l f a c t o r whi c h i n lue f n c e s t h e s i mu l a t i on r e s ul t s .

Ke y Wo r d s: a e r o f o i l;￥ 8 0 9; t u r b u l e n c e mo d e l; n u me r i c a 1 s i mu l a t i o n

中国和厄瓜多尔签署合同承建该国最大水电站项目2 0 0 9年 1 0月 5日中国水利水电建设集团与厄瓜多尔政府在基多正式签署合同，承建该国最大规模的科科多 辛克莱水电站项目

( CC S项目)。据介绍，C C S项目位于亚马逊河流域， 建成后总装机将达到 1 5 0 0 Mw,年发电量达 8 8亿 k Wh,能满足该国 7 5%的用电需求，成为该国规模最大的水力发电基地。该项目总投资达 2 0亿美元，是厄瓜多尔历史上最大的一笔外资。同时，厄瓜多尔政府期待在 C C S项目建成后的 6至 8年内，将本国水力发电的比例从目 前的 4 4%提升到 9 5%左右。

2 0 2 0年中国核电装机将达 7 0 0 0 0 MW2 0 0 9年 1 1月 2日中国工程院院士、中国核工业集团公司科学技术委员会主任潘自强表示， 虽然目前国家设定的 2 0 2 0年核电装机目标是 4 0 0 0 0 MW,但科技界估计到 2 0 2 0年中国的核电装机容量有望超过 7 0 0 0 0 Mw。 据潘自强介绍，现在已经运行的核电机组装机约为 9 0 8 0 MW,共 1 1个反应堆。环境保护部己批准建设的核电站，总装机约为 2 0 0 0 0 MW;经过国家发展和改革委员会同意开展前期_ T作的核电站，装机规模约为 3 3 0 0 0MW。潘自强还表示，中国的铀资源满足 2 0 2 0年以前实现 7 0 0 0 0 MW核电发电应该没问题。 (尹航)

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