陳子龍,楊愛玲,陳二云,焦 躍
(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院/上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)
葉片表面流動(dòng)狀態(tài)是決定旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械氣動(dòng)性能與噪聲特性的關(guān)鍵因素。由于氣體的黏性,氣體流經(jīng)葉片表面時(shí)會(huì)形成緊貼壁面的流體薄層。該薄層厚度小、黏性影響大,即所謂的流動(dòng)邊界層。流動(dòng)邊界層內(nèi)速度梯度大,壁面黏性切應(yīng)力大,而且邊界層內(nèi)渦流在葉片尾緣周期性地脫落,在某些條件下邊界層還可能發(fā)生流動(dòng)分離。這些正是葉片表面流動(dòng)阻力增加、流動(dòng)噪聲源增強(qiáng)的根本原因。
為了提高葉片的氣動(dòng)特性及降噪性能,國內(nèi)外學(xué)者從葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面設(shè)計(jì)等方面做了大量的研究工作,試圖從設(shè)計(jì)源頭改善葉片的氣動(dòng)降噪性能。非光滑表面技術(shù)作為一門新興的邊緣學(xué)科,涉及仿生學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)等眾多學(xué)科。目前,較為成熟的研究方法有渦流發(fā)生器[1-2]、疏水表面[3]、鋸齒尾緣[4]、仿生非光滑表面[5-6]等。
流動(dòng)邊界層控制技術(shù)被美國NASA 研究中心列為21 世紀(jì)航空關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。溝槽非光滑表面技術(shù)是流動(dòng)邊界層控制技術(shù)的重要分支。該方法通過改變物體表面形狀,控制壁面湍流附面層的應(yīng)力分布與渦流結(jié)構(gòu),達(dá)到流動(dòng)控制的目的。NACA Langley 研究中心Walsh[8]最先開展了將微溝槽非光滑表面應(yīng)用于平板減阻的研究,突破了表面越光滑阻力越小的傳統(tǒng)思維方式,從而引起了各國研究者對(duì)非光滑表面減阻研究的興趣。Sundaram 等[9]對(duì)來流攻角為0°~6°的NACA012翼型的溝槽減阻研究結(jié)果表明,減阻效果隨來流攻角的增加而增加,最大減阻效果達(dá)13%??罩锌蛙嚬驹贏320 試驗(yàn)機(jī)機(jī)翼的70%表面貼上溝槽面薄膜,獲得了1%~2%的節(jié)油效果[10]。楊林等[11]基于“凹槽”和“陷窩”技術(shù)對(duì)低雷諾數(shù)下渦輪流動(dòng)損失控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值分析,研究表明:凹槽結(jié)構(gòu)的存在能加強(qiáng)流動(dòng)摻混,促進(jìn)分離泡轉(zhuǎn)捩,有效降低葉柵總壓損失系數(shù)。
目前相關(guān)學(xué)者們對(duì)溝槽非光滑表面技術(shù)的研究更多關(guān)注其減阻效果與工程應(yīng)用,并取得了大量研究成果[12-14]。而關(guān)于溝槽內(nèi)渦流結(jié)構(gòu)及與下游湍流流動(dòng)相互影響的研究相對(duì)較少。因此,對(duì)溝槽非光滑表面技術(shù)的湍流特性進(jìn)行研究非常有必要。
本文基于NACA6510 翼型表面的二維圓弧型溝槽為研究對(duì)象,通過數(shù)值方法研究溝槽相對(duì)位置及相對(duì)深度的變化對(duì)翼型表面湍流流動(dòng)的影響,為溝槽非光滑表面技術(shù)在流動(dòng)噪聲控制應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
圖1 為NACA6510 翼型表面二維圓弧型溝槽幾何示意圖,其中:翼型弦長c=100 mm,溝槽位于翼型吸力面;x表示弦向坐標(biāo);λ、h分別表示溝槽的流向長度和深度。本文改變溝槽相對(duì)深度h/λ及溝槽在弦長方向的相對(duì)位置x/c獲得15 組不同的翼型模型,溝槽幾何參數(shù)如表1 所示。通過二維非定常湍流流場模擬分析上述參數(shù)對(duì)溝槽內(nèi)外流動(dòng)、翼型表面湍流的影響規(guī)律。
圖1 NACA6510 翼型圓弧型溝槽幾何示意圖Fig.1 Sketch of the arc-shaped groove on NACA6510 airfoil
表1 溝槽幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the groove
計(jì)算時(shí)采用二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為節(jié)省計(jì)算資源,將計(jì)算域劃分為A、B 兩個(gè)子域,數(shù)值計(jì)算域示意圖如圖2 所示。子域A 為外流場,長20c、寬16c,保證遠(yuǎn)場邊界條件。內(nèi)部子域B 長3.5c、寬2c、尾跡2c。子域B 采用O 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格離散,兩個(gè)子域交接面的網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)。溝槽翼型網(wǎng)格數(shù)為140 萬~160 萬,其中子域B 網(wǎng)格數(shù)為110 萬~125 萬。
圖2 數(shù)值計(jì)算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the computation field
溝槽幾何尺寸較小,為提高網(wǎng)格精度,對(duì)翼型近壁區(qū)、溝槽附近進(jìn)行局部加密,近壁第一層網(wǎng)格高度為0.01 mm,確保Y+≤1,溝槽內(nèi)部采用C 型拓?fù)洹喜郾砻嬉硇途W(wǎng)格示意圖如圖3 所示。
圖3 溝槽表面翼型網(wǎng)格示意圖Fig.3 Mesh of the airfoil with groove
運(yùn)動(dòng)馬赫數(shù)Ma<0.3的空氣繞翼型流動(dòng),形成繞翼型的不可壓湍流流場。本文采用二維不可壓縮大渦模擬方法(large eddy simulation,LED)求解該翼型外部湍流場。大渦模擬方法求解瞬時(shí)N?S 方程獲得大于計(jì)算網(wǎng)格尺度的湍流運(yùn)動(dòng),而小尺度渦對(duì)大尺度渦的影響則通過亞格子應(yīng)力模型體現(xiàn)。對(duì)于變量 φ,空間濾波后變?yōu)?/p>
式中:D為流動(dòng)區(qū)域;G(x,x′)為濾波函數(shù)。
式中,V為控制體體積。
將式(2)代入式(1)可得
利用式(3)處理連續(xù)性方程及瞬時(shí)N?S 方程,可得二維不可壓縮大渦模擬運(yùn)動(dòng)方程[15],即
式中:ρ、μ 分別為空氣密度、分子黏度;u為速度分量;p為修正壓力;τij表 示亞格子應(yīng)力,τij=,通過它可以體現(xiàn)小尺度渦對(duì)大渦運(yùn)動(dòng)方程的影響;帶有上劃線的為濾波后的變量;t為時(shí)間。
為使運(yùn)動(dòng)方程封閉,采用Smagorinsky?Lilly亞格子模型,即
式中:μt為亞格子湍流黏性系數(shù);Δ 為網(wǎng)格尺度;Cs為 亞格子常數(shù);Sij為網(wǎng)格平均應(yīng)變率。
流動(dòng)方程采用二階迎風(fēng)格式離散,基于SIMPLEC 算法實(shí)現(xiàn)速度場和壓力場分離迭代求解。計(jì)算域進(jìn)口給定速度邊界條件,來流速度V=30m·s?1,基于翼型來流速度與弦長雷諾數(shù)Re=2×105。計(jì)算域出口位于翼型下游11倍弦長處,采用自由出流條件,翼型物面及溝槽采用無滑移絕熱條件。時(shí)間步長 Δt=1×10?5s,監(jiān)測翼型升力系數(shù)呈明顯周期性變化后,推進(jìn)10 000步作為非定常流場信息。大渦模擬計(jì)算時(shí),采用SSTk?ω湍流模型求解RANS 方程,將時(shí)均收斂解作為非定常流場計(jì)算的初場。
為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,計(jì)算驗(yàn)證時(shí)采用Selig等[16]的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜑镋387翼型,弦長為0.304 8 m,基于弦長的雷諾數(shù)Re=2×105。驗(yàn)證時(shí)采用與本文相同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及計(jì)算方法。圖4 為E387 翼型極曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文模擬值的對(duì)比,圖中橫坐標(biāo)Cd為阻力系數(shù),縱坐標(biāo)Cl為升力系數(shù)??梢?,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致,表明本文數(shù)值計(jì)算方法可行。
圖4 E387 翼型極曲線Fig.4 Polar curve of E387 airfoil
極曲線反映了翼型的升、阻力特性,是翼型重要的氣動(dòng)數(shù)據(jù)之一[16]。圖5為雷諾數(shù)Re=2×105,來流攻角α分別為0°、3°、6°、···、18°時(shí)NACA6510 翼型極曲線,其中:圖5(a)給出了相對(duì)深度h/λ=0.35 時(shí)翼型極曲線隨溝槽相對(duì)位置x/c的變化;圖5(b)則為x/c=0.65 時(shí)溝槽深度對(duì)翼型極曲線的影響。由圖5(a)可知:小攻角下溝槽相對(duì)位置對(duì)翼型升、阻力幾乎沒有影響;隨來流攻角增加,影響逐漸明顯,在α=18°時(shí),溝槽使翼型阻力系數(shù)和升力系數(shù)減小,相對(duì)位置x/c=0.65 時(shí),阻力系數(shù)從光滑翼型的0.226 5 減小為0.162 5,下降了28.26%。圖5(b)表明,大來流攻角下溝槽深度對(duì)翼型升、阻力有較明顯的影響。當(dāng)相對(duì)深度h/λ=0.35 時(shí),阻力系數(shù)從光滑翼型的0.226 5 減小為0.169 1,減少了25.34%;升力系數(shù)從光滑翼型的1.743 9 減小為1.437 5,下降了17.57%,阻力系數(shù)的減少量大于升力系數(shù)的減少量。
圖5 NACA6510 翼型極曲線Fig.5 Polar curves of NACA6510 airfoil
圖6 給出了來流攻角α=6°、t=0.135~0.140 s、溝槽相對(duì)位置x/c=0.65 時(shí)NACA6510 翼型升力系數(shù)時(shí)域曲線隨相對(duì)深度h/λ的變化。可見,升力系數(shù)隨時(shí)間呈明顯的周期性波動(dòng)。根據(jù)流體力學(xué)理論可知,這正是翼型尾緣周期性渦流脫落引起的升力脈動(dòng)。表2 為α=6°、x/c=0.65 時(shí)經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)后獲得的翼型升力系數(shù)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)的幅值,在溝槽相對(duì)深度小于0.35時(shí),脈動(dòng)頻率幾乎不變,但對(duì)應(yīng)的峰值有變化。隨相對(duì)深度進(jìn)一步增加,當(dāng)h/λ=0.50 時(shí),升力系數(shù)脈動(dòng)頻率出現(xiàn)突變,頻率明顯減小。
圖6 升力系數(shù)時(shí)間歷程Fig.6 Time history of lift coefficient
表2 不同相對(duì)深度溝槽升力系數(shù)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)的幅值Tab.2 Main fluctuation frequency and the corresponding amplitude of lift coefficient for the groove with various relative depth
為觀測翼型近壁區(qū)流場壓強(qiáng)脈動(dòng),在翼型吸力面?zhèn)仍O(shè)置g、p、f三個(gè)監(jiān)測點(diǎn),如圖7 所示。監(jiān)測點(diǎn)g位于0.3 倍弦長位置,離吸力壁面2 mm處;監(jiān)測點(diǎn)p在凹坑內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)f則位于0.8 倍弦長位置,離吸力壁面2 mm 處。
圖7 監(jiān)測點(diǎn)示意圖Fig.7 Distribution of monitor points
圖8 為溝槽相對(duì)深度h/λ=0.35 時(shí)監(jiān)測點(diǎn)f的壓強(qiáng)脈動(dòng)在頻域的分布,表3 為α=6°、h/λ=0.35 時(shí)的主頻及對(duì)應(yīng)幅值??梢姡摫O(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)脈動(dòng)在頻域的分布呈明顯的離散特性,具有溝槽的翼型壓強(qiáng)脈動(dòng)峰值均小于光滑翼型,且主脈動(dòng)峰值隨溝槽相對(duì)位置增加而減小,當(dāng)x/c=0.75時(shí),峰值由光滑翼型的225.11 Pa 減小為110.43 Pa,降幅為50.9%。從表3 還可知,相對(duì)位置x/c=0.55、0.75 時(shí),壓強(qiáng)脈動(dòng)頻率均有所降低。
表3 不同相對(duì)位置溝槽監(jiān)測點(diǎn)f 壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值Tab.3 Main frequency and the corresponding amplitude of pressure fluctuation at point f for the groove at different relative positions
圖8 不同相對(duì)位置溝槽監(jiān)測點(diǎn)f 壓強(qiáng)脈動(dòng)頻譜Fig.8 Pressure fluctuation spectrum of point f for the groove at different relative positions
表4 為來流攻角α=6°、相對(duì)位置x/c=0.65時(shí)不同相對(duì)深度溝槽表面翼型及光滑翼型監(jiān)測點(diǎn)f的壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值。由表4 可知,同一相對(duì)位置下,隨著溝槽深度的增加,監(jiān)測點(diǎn)f脈動(dòng)幅值呈先降后升的分布趨勢(shì),h/λ=0.35 時(shí)脈動(dòng)幅值達(dá)到最小。表4 同時(shí)表明,溝槽較淺(h/λ=0.10、h/λ=0.20、h/λ=0.35)時(shí),溝槽的存在對(duì)頻率的影響較小;溝槽達(dá)到一定深度(h/λ=0.50、h/λ=0.80)后,壓強(qiáng)脈動(dòng)頻率發(fā)生突變,脈動(dòng)頻率減小了110 Hz。監(jiān)測點(diǎn)f壓強(qiáng)脈動(dòng)的頻譜特性與翼型升力系數(shù)(參見表2)的變化吻合。通過上文分析說明,翼型吸力面的溝槽結(jié)構(gòu)會(huì)改變下游渦流脫落頻率和幅值。
表4 不同相對(duì)深度溝槽監(jiān)測點(diǎn)f 壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值Tab.4 Main frequency and the corresponding amplitude of pressure fluctuation at point f for the groove at different relative depth
氣體流經(jīng)翼型表面,部分流體進(jìn)入溝槽,在溝槽內(nèi)部形成復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)。圖9 為來流攻角α=6°、相對(duì)位置x/c=0.65 時(shí)溝槽內(nèi)部時(shí)均速度及流線隨相對(duì)深度h/λ的變化。當(dāng)h/λ較小時(shí),流體流過溝槽結(jié)構(gòu)區(qū)域,在內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)反向、穩(wěn)定的扁平狀二次渦,流動(dòng)速度較小。當(dāng)h/λ=0.35 時(shí),有更多較高能量流體流入溝槽內(nèi)部,形成了一大一小兩個(gè)反向渦對(duì)。反向渦對(duì)的大小隨溝槽相對(duì)增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)溝槽深度進(jìn)一步增加到h/λ=0.8 時(shí),高能量的大渦擠壓溝槽內(nèi)較小的渦,使之變小。
圖9 溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)均速度及流線分布Fig.9 Distribution of mean velocity and streamline in the groove
圖10(a)為來流攻角 α=6、x/c=0.65 時(shí)沿溝槽中心線l的時(shí)均速度分布,縱坐標(biāo)ΔY指中心線上的觀測點(diǎn)到光滑翼型表面的長度。相關(guān)定義如圖10(b)所示,l為過凹坑圓心的直線,ΔY<0表示監(jiān)測點(diǎn)位于溝槽內(nèi)部。由圖10 可知,隨壁面相對(duì)距離的增加,速度明顯呈先增大后減少再增大的趨勢(shì),說明流體流經(jīng)溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)在溝槽內(nèi)部形成了漩渦。深徑比對(duì) ΔY>0區(qū)域的速度分布剖面影響較小,但溝槽內(nèi)部的速度分布發(fā)生明顯變化。相對(duì)于光滑壁面,溝槽相對(duì)深度增加,溝槽內(nèi)部速度增量越大,這與上文對(duì)溝槽內(nèi)部速度流線圖的分析相對(duì)應(yīng)。
圖10 溝槽中心線時(shí)均速度分布Fig.10 Distribution of mean velocity along the center of the groove
圖11 為α=6°、x/c=0.65、h/λ=0.35 時(shí)溝槽內(nèi)部瞬時(shí)流線在一個(gè)主脈動(dòng)周期ΔT(ΔT為監(jiān)測點(diǎn)p壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻對(duì)應(yīng)的周期)內(nèi)分布??梢钥闯?,在6°來流攻角下,附面層在溝槽上游已形成小分離渦,溝槽內(nèi)部的二次渦由于該上游分離渦的擠壓、附面層流體的裹挾共同作用經(jīng)歷了產(chǎn)生、發(fā)展、脫落過程,無法穩(wěn)定滯留在溝槽內(nèi)部。
圖11 1 個(gè)周期內(nèi)各相位瞬時(shí)流線分布Fig.11 Distribution of instantaneous streamline during each phase of a period
圖12 為α=6°、x/c=0.65、h/λ=0.35 時(shí)監(jiān)測點(diǎn)g、p、f的壓強(qiáng)脈動(dòng)頻譜分布(監(jiān)測點(diǎn)位置如圖7 所示)。可見,在溝槽上游的監(jiān)測點(diǎn)g,壓強(qiáng)脈動(dòng)只在1 600 Hz 附近有較小的峰值,監(jiān)測點(diǎn)的壓強(qiáng)脈動(dòng)在3 200 Hz 處出現(xiàn)了大小約35 Pa的峰值。該頻率應(yīng)為溝槽內(nèi)部二次渦周期性產(chǎn)生、發(fā)展和脫落的頻率,而在溝槽下游監(jiān)測點(diǎn)f處,壓強(qiáng)脈動(dòng)在1 600、3 200 Hz 處均有明顯的脈動(dòng)峰,相較于g、p兩點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)f的脈動(dòng)幅值大幅增長。氣體流經(jīng)溝槽結(jié)構(gòu),翼型尾緣保持了上游及溝槽內(nèi)部壓強(qiáng)脈動(dòng)的頻率特性,脈動(dòng)幅值逐漸增強(qiáng)。
圖12 溝槽上、下游壓強(qiáng)脈動(dòng)頻譜Fig.12 Pressure fluctuation spectrum at the upstream and downstream of the groove
表5 給出了α=6°、h/λ=0.35 時(shí),不同相對(duì)位置溝槽上、下游監(jiān)測點(diǎn)g、p、f的壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值。表6 則為α=6°、x/c=0.65 時(shí),不同相對(duì)深度溝槽上、下游壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值??芍煌瑓?shù)溝槽的存在對(duì)其翼型表面上、下游壓強(qiáng)脈動(dòng)的影響,其頻率呈現(xiàn)類似圖12的特性,溝槽內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)p的壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻表現(xiàn)為上、下游主頻的2 倍,說明溝槽內(nèi)部二次渦產(chǎn)生、發(fā)展和脫落過程始終存在。溝槽結(jié)構(gòu)的存在對(duì)上游監(jiān)測點(diǎn)g的壓強(qiáng)脈動(dòng)幅值幾乎沒有影響。在不同相對(duì)位置下,隨弦向的增加,溝槽內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)p脈動(dòng)幅值逐漸增加,但溝槽下游監(jiān)測點(diǎn)f幅值卻呈減小趨勢(shì)。在同一位置,隨溝槽相對(duì)深度的增加,溝槽內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)p脈動(dòng)幅值逐漸增加,下游監(jiān)測點(diǎn)f幅值呈先增大后減小趨勢(shì),在h/λ=0.35 時(shí)出現(xiàn)最小值。
表5 不同相對(duì)位置溝槽上、下游壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值Tab.5 Main frequency and the corresponding amplitude of pressure fluctuationat the upstream and downstream of the groove at different relative positions
表6 不同相對(duì)深度溝槽上、下游壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻及對(duì)應(yīng)幅值Tab.6 Main frequency and the corresponding amplitude of pressure fluctuationat the upstream and downstream of the groove at different relative depth
本文以NACA510 翼型溝槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,通過大渦模擬方法對(duì)翼型繞流流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)翼型氣動(dòng)特性與渦流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,取得了以下結(jié)論:
(1)在小攻角下,溝槽表面對(duì)翼型的升、阻力系數(shù)影響很小,大攻角下升、阻力系數(shù)明顯減小,溝槽位于x/c=0.65、相對(duì)深度h/λ=0.35時(shí),翼型阻力系數(shù)的減小量大于升力系數(shù)的減小量。
(2)溝槽結(jié)構(gòu)的存在改變了下游渦脫落情況,對(duì)上游影響不明顯。6°來流攻角下,隨弦向方向,溝槽下游監(jiān)測點(diǎn)f壓強(qiáng)脈動(dòng)幅值逐漸減??;隨溝槽深度的增加,監(jiān)測點(diǎn)壓強(qiáng)脈動(dòng)幅值呈先降后增的分布趨勢(shì),在h/λ=0.35 時(shí)達(dá)到最小。溝 槽 較 淺(h/λ=0.10、h/λ=0.20、h/λ=0.35)時(shí),溝槽的存在對(duì)頻率的影響不明顯;溝槽達(dá)到一定深度(h/λ=0.50、h/λ=0.80)后,壓強(qiáng)脈動(dòng)頻率發(fā)生突變,頻率明顯降低。
(3)氣體流經(jīng)溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)在溝槽內(nèi)部形成反向二次渦,其壓強(qiáng)脈動(dòng)主頻為上、下游主頻的2 倍。在一定條件下,溝槽內(nèi)部渦流失穩(wěn),存在周期性渦流產(chǎn)生、發(fā)展和脫離。氣體流經(jīng)溝槽結(jié)構(gòu),翼型尾緣保持了上游及溝槽內(nèi)部壓強(qiáng)脈動(dòng)的頻率特性,脈動(dòng)幅值逐漸增強(qiáng)。