低速风洞拐角段的流动控制减阻研究*

邹　琳　熊　灿　胡　勇　汪　秒

(武汉理工大学机电工程学院　武汉　430070)

低速风洞拐角段的流动控制减阻研究*

邹琳熊灿胡勇汪秒

(武汉理工大学机电工程学院武汉430070)

摘要：采用k-ε湍流模型对具有不同空间布局及数量导流片的低速风洞拐角段进行了三维全流场数值分析，得到减阻抑振的导流片空间布置参数.研究表明,导流片的布局、数目、弦长对拐角段导流片压力分布、涡量分布及全流场速度分布均会产生直接影响.通过不同安装形式的拐角段导流片对比分析，8片等差间距布置各导流片均具有较均衡的低阻力系数(均在0.5左右)和低脉动升力系数(均在0.4左右)，具有更好的减阻减振效果从而提高整体结构的使用寿命，并得到了更均衡的流场品质.

关键词：低速风洞；k-ε湍流模型；导流片；流动控制

邹琳(1970- )：女，博士，副教授，主要研究领域为计算流体力学及流体机械设计

0引言

风洞是空气动力学研究和飞行器研制的最基本的试验设备，在环保、建筑、桥梁、汽车等领域得到了广泛的应用[1].低速风洞是指马赫数小于0.4的风洞.常规低速回流式风洞中，气流要通过4个90°的拐角段，一方面很容易产生流动分离，以及出现对流，造成流动不均匀从而影响气流品质；另一方面，气流经过这些拐角段也会产生较大的能量损失[2].为了尽量减小气流经过拐角段时产生流动分离、对流以及能量损失，工程应用中常采用改变壁面粗糙度、拐角的几何形状、合理布置导流片的控制方法[3-4].

针对导流片的合理布置，国内学者也对拐角的流动进行研究后并提出了一些不等间距、变径等独特的分布方式，并对导流片进行了数值模拟并取得一定成果[5-6].龙血松等[7]提出通过导流片的设计，可以降低或者消除90°弯头内导流片内部的复杂状态.此外，通过选择合适形状和数量的导流片，并采用适当的辅助装置，可以达到降低噪声和减少能耗的效果[8-12].

目前主要是通过改变导流片外形参数和迎角等方法以降低气流通过导流片时所产生的能耗和噪声.本文将研究重点放在不同导流片安装组合下的低速风洞拐角段流场的三维全流场数值分析，探讨不同安装组合对各导流片升阻力系数、压力分布和拐角段速度分布的影响.

1几何模型及边界条件

1.1几何模型

图1为本文低速风洞拐角段的几何模型(以等间距8导流片的情形为例).气流以40 m/s的速度从X轴正方向流入，从Y轴正方向流出.为保证气流能较好地通过拐角段，拐角段为等截面，截面尺寸为1 390 mm ×1 150 mm，入口长度为3 000 mm，出口长度为4 000 mm，拐角半径为320 mm.

本文主要采用了无导流片、等间距8导流片、等差间距8导流片、等间距16导流片、增大弦长等间距8导流片这5种不同的拐角段形式来分析改变导流片间距、增加导流片数目、增大导流片弦长对气流通过拐角段时对全流场流动特性所产生的影响.

图1　拐角段几何模型示意图

1.2计算模型

本文采用k-ε湍流模型，将流动视为不可压缩流动，控制方程的离散采用有限差分法，空间离散采用二阶精度的QUICK差分格式，在时间上采用二阶隐式格式，压力与速度的耦合采用SIMPLEC算法.

图2　网格局部放大示意图

网格划分.采用结构性网格划分.为了更好地反映流场特征，对导流片周围网格进行加密；此外，由于壁面附近附面层的存在，气流参数沿壁面法向变化梯度很大，需对壁面附近网格进行加密.导流片环向节点数目为88个，沿Z方向，网格呈均匀分布，Z方向节点数目为30.图2为网格局部放大示意图.

边界条件.入口边界给定均匀速度分布，大小为40 m/s，出口边界给定压力出口，参考压力为0.其他表面采用固壁无滑移边界条件.

2计算结果分析

2.1升阻力系数

图3为在40 m/s来流下各组导流片(从远离拐角段曲率中心处的导流片开始编号)的升阻力系数(此处Cd为阻力系数，Cl为脉动升力系数).图3 a)，b)表明：对比等间距8导流片，等差间距8导流片组在中间3片导流片有较为明显的减阻效果，能够减少能量耗散；增大弦长组在第3片之后的导流片有较为明显的减阻效果；16导流片组的阻力系数则变化较大，在第1片和第9片处得到两个峰值，这不利于提高整体结构的使用寿命.从图3c)，d)可见，各组导流片的脉动升力变化趋势同阻力系数变化趋势大体相同.总体来说等间距组各导流片具有较均衡的阻力系数(均在0.5左右)和脉动升力系数(均在0.4左右)，具有更好的减阻减振效果从而提高整体导流片的使用寿命并能有效的提高风洞试验段的流场品质.

图3　各组导流片的升阻力系数

2.2压力分布

图4为拐角段中间截面压力分布图.图4a)为未安装导流片的情形，在离心力的作用下，气流在拐弯时外壁的压力增高而内壁的压力降低，由于外壁处的扩散效应和内壁处的收缩效应，气流发生分离及对流，造成流动不均匀.在拐角段布置导流片均能较好的缓解这种现象，其中等间距组与等差间距组(见图4b)，c))的压力分布最为均匀，无明显负压区，对气流品质的改善效果最为明显.

2.3涡量分布

图5为拐角段中间截面涡量分布图(左上角区域为导流片附近的局部放大).其中：图5c)，d)，e)3组的涡量值更大，分别出现12 916，27 238，25 061 s-1的涡，而图5b)组的涡量分布较为均匀，最大值仅为11 804 s-1.这说明气流通过(图5b))组时碰撞减弱了很多，故流动损失更小，这和图3b)能够得到最小的阻力系数相吻合.同时从局部放大图可以看出，导流片间距越小，单个导流片尾流影响会消失的越快.

2.4出口速度分布

图6为拐角段出口截面速度分布.由图6可见，图5b)组由于流动损失最小，得到了最均匀的出口速度分布，大部分区域速度值为39.9 m/s，其余区域处于37.7 m/s附近，c)组次之.d)，e)两组改善效果不明显.

图4　拐角段中间截面压力分布

图5　拐角段中间截面涡量分布

图6　拐角段出口截面速度分布

3结论

1) 等间距组各导流片具有较均衡的阻力系数(均在0.5左右)和脉动升力系数(均在0.4左右)，具有更好的减阻减振效果从而提高整体结构的使用寿命，并能得到更均衡的流场品质；

2) 减小导流片的间距，用较多的窄导流片代替较少的宽导流片会导致各导流片的阻力分布不均衡，使部分导流片具有压力和脉动升力峰值，不利于延长整体结构的使用寿命.

参 考 文 献

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中图法分类号：TH47

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.004

收稿日期：2014-11-10

Numerical Study of Flow Control and Drag Reduction
on the Corner of Low-speed Wind Tunnel

ZOU LinXIONG CanHU YongWANG Miao

(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityof

Technology,Wuhan430070,China)

Abstract：This paper presents a numerical study of three-dimensional(3-D) flow past the corner of the low-speed wind tunnel placing with the different arrangement and the different number of the inducers was investigated by using the k-εturbulence model. The full field vorticity and velocity distributions as well as force coefficients were calculated in detail and the flow structures were presented. The results show that the drag, the vorticity and the velocity were directly affected by different ways of arrangement and selecting the inducers. Comparing with the different configured inducers, the eight-evenly-placed arrangement can get the more uniform drag (all of them are about 0.5), the lower drag coefficients and the lower fluctuating lift coefficients. It indicated that the number and the shape of the inducers have important combined effects on drag reduction and vibration suppression and hence have significant effects on the flow quality of the corner of the low-speed wind tunnel.

Key words：low-speed wind tunnel; k-εturbulence model; inducer; flow control

*国家自然科学基金面上项目(批准号：11172220)、高等学校博士学科点专项科研基金项目(批准号：200804971025)资助