旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風發(fā)生器流場分析

旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風發(fā)生器流場分析

0試驗裝備研究飛機通常受到風機的影響，因此會感到頭暈，嚴重的原因是飛機損壞或嚴重受損。以上研究表明陣風發(fā)生器是研究陣風響應(yīng)和陣風減緩的必備裝置，其作用是在風洞里模擬陣風，并作為飛機防陣風設(shè)計的試驗裝備，在國內(nèi)外得到了有效發(fā)展旋轉(zhuǎn)開槽圓筒機構(gòu)最早用于顫振激勵，而后用于陣風發(fā)生器機構(gòu)。在顫振激勵方面國內(nèi)研究較多，許和勇以上研究工作主要集中在開縫圓柱機構(gòu)附近的流場特性。且作為陣風發(fā)生裝置，盡管理論研究和試驗研究取得了巨大進步，但該裝置若要成功應(yīng)用于風洞試驗，還有許多問題有待研究。本文研究的主要目的是分析該裝置在下游產(chǎn)生的流場幅值和頻率特性，研究結(jié)果對于該型陣風發(fā)生器試驗裝置的合理設(shè)計具有一定意義。1旋轉(zhuǎn)開槽式圓弧風扇裝置旋轉(zhuǎn)開槽式陣風發(fā)生器裝置的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足陣風幅值要求，該陣風發(fā)生器由四片相同的葉片組合而成2計算網(wǎng)絡(luò)和方法2.1建立網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)模擬采用OpenFOAM開源CFD軟件來建模和數(shù)值分析。OpenFOAM是一個在Linux系統(tǒng)下運行的CFD類庫。它是一個完全由C++編寫的面向?qū)ο蟮腃FD類庫，支持多面體網(wǎng)格，可以處理復(fù)雜的幾何外形。研究人員可根據(jù)需要編寫自己的求解器。這里采用了OpenFOAM中的AMI(ArbitraryMeshInterface）技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)時的數(shù)據(jù)交換，旋轉(zhuǎn)角速度可設(shè)定，從而實現(xiàn)動態(tài)旋轉(zhuǎn)的模擬過程。網(wǎng)格劃分采用OpenFOAM中的blockMeshDict字典程序控制，劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。劃分的整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示，圖4為翼型附近局部加密網(wǎng)格，圖5為旋轉(zhuǎn)圓筒部分網(wǎng)格。2.2非定常氣動力模型在慣性坐標系下，非定常積分形式的NavierStokes表達式為：其中U表示單位體積質(zhì)量、能量和動量表示的通量，F(xiàn)和F采用有限體積法進行空間離散，二階迎風格式，時間推進采用隱式方法，湍流模型為k-wSST湍流模型，該模型能很好地處理流動分離在圓筒旋轉(zhuǎn)的過程中，機翼和圓筒上會產(chǎn)生非定常氣動力。旋轉(zhuǎn)開槽圓筒陣風發(fā)生器的等效升力系數(shù)式中dL3計算結(jié)果和分析3.1旋轉(zhuǎn)20來流方向為準確模擬陣風發(fā)生器的下游流場特性，需首先數(shù)值模擬旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風發(fā)生器的等效升力系數(shù)，與試驗數(shù)據(jù)對比。圖6、圖7分別為圓筒旋轉(zhuǎn)20°（以圖2位置為起點，逆時針旋轉(zhuǎn)）時的壓力、速度云圖。中心線位置在圖6中劃出，來流方向沿x軸正方向。中心線上下兩側(cè)為側(cè)向位置，以圓筒中心為起點，沿x軸正向為下游流場。在旋轉(zhuǎn)角度0°～180°范圍內(nèi)，數(shù)值計算獲得等效升力系數(shù)與試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖8所示。圖中試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)從文獻3.2下游流場分析3.2.1旋轉(zhuǎn)方向與陣風的關(guān)系首先，開槽圓筒的旋轉(zhuǎn)方向?qū)ο掠瘟鲌鎏匦杂忻黠@影響。當逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，在陣風發(fā)生器下游離圓筒中心距離0.6m處，中心線兩側(cè)等距位置處產(chǎn)生的陣風（y方向的擾動速度）有明顯差別。以旋轉(zhuǎn)頻率5Hz、來流速度20m/s、中心線兩側(cè)0.25m處為例，計算結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖可知，上側(cè)產(chǎn)生的陣風比較紊亂，下側(cè)產(chǎn)生的陣風正弦特性較好，陣風響應(yīng)不對稱是由擾動速度的初值引起的。當改變圓筒旋轉(zhuǎn)方向為順時針時，結(jié)果正好相反，中心線上側(cè)陣風正弦特性較好，下側(cè)比較紊亂，計算結(jié)果如圖11所示。圓筒旋轉(zhuǎn)方向不同導(dǎo)致上下產(chǎn)生的擾動陣風不對稱，當逆時針旋轉(zhuǎn)時，對上側(cè)擾動陣風的干擾較大，陣風的正弦特性變差。當圓筒順時針旋轉(zhuǎn)時，情況正好相反。其次，旋轉(zhuǎn)圓筒對中性線附近流場干擾明顯。在中心線兩側(cè)較近的位置，離中心線側(cè)向距離約0.2m以內(nèi)的范圍，產(chǎn)生的陣風比較紊亂，隨著遠離中心線位置，陣風的正弦特性越來越好。同樣以旋轉(zhuǎn)頻率5Hz、來流速度20m/s為例，在陣風發(fā)生器下游離圓筒中心距離0.6m、中心線下側(cè)位置0.15m和0.35m處，陣風隨時間的響應(yīng)分別為圖12、圖13所示。對比圖12和圖13可知，雖然離中心線越近，最大陣風幅值越大，但是陣風正弦特性很差，這主要是由于開槽圓筒旋轉(zhuǎn)過程中，對中心線附近的干擾比較大所致。3.2.2下游流場狀態(tài)的比較首先，在不同旋轉(zhuǎn)頻率下，比較了陣風幅值隨側(cè)向距離的變化規(guī)律，比較結(jié)果如圖14所示。圖中分別計算了旋轉(zhuǎn)頻率1～8Hz的狀態(tài)，獲得一致的規(guī)律，即側(cè)向位置離中心線越遠，陣風幅值逐漸遞減。其次，在不同頻率下，比較了陣風幅值隨下游距離的變化規(guī)律，比較結(jié)果如圖15所示。圖中畫出了旋轉(zhuǎn)頻率5Hz和6Hz下的變化。由圖可知，距離圓筒中心越遠，陣風幅值逐漸遞減。以上結(jié)果表明，中心線側(cè)向位置和流場下游位置離旋轉(zhuǎn)圓筒越遠，陣風幅值越小。3.2.3減縮頻率k的計算在不同減縮頻率下，比較同一點處陣風幅值隨減縮頻率的響應(yīng)關(guān)系，減縮頻率k定義為計算了在低速不同狀態(tài)下的減縮頻率，都獲得了一致規(guī)律，但在0.2～0.25減縮頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)突變的內(nèi)在機理有待進一步研究。4陣風幅值分布特性分析通過對旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風發(fā)生器進行數(shù)值模擬和流場分析，得以下結(jié)論：1）開槽圓筒的旋轉(zhuǎn)方向?qū)χ行木€上下兩側(cè)流場產(chǎn)生不同影響，且對中心線附近的流場干擾較大。2）側(cè)向位置離中心線越遠，陣風幅值越小，下游離圓筒中心越遠位置，陣風幅值越小。3）陣風幅值的變化與減縮頻率有關(guān)，在減