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低阻损拐角导流片技术研究

作　者: 易星佑
导　师: 陈振华；余永生
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 飞行器设计
关键词: 风洞拐角导流片压力损失数值模拟
分类号: V211.74
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在风洞中,拐角(导流片)阻力损失占风洞回路总损失比例较大,如果能够降低拐角段气流阻力损失,对降低风洞总损失,提高运行效率,降低风洞运行功率将具有明显作用。在低阻损导流片研究方面,已有的研究结果主要是在来流比较均匀的情况下取得的。然而,对风洞回路损失贡献最大的往往是第一和第二拐角段,其来流的不均匀性往往是比较明显的。特别是第一拐角,气流通过第一扩散段后,气流速度分布表现出明显的中央部分大、四周部分小的特征;而且由于试验段模型的影响,第一拐角段来流的扰动也是较大的。那么,在实际风洞拐角中来流存在速度分布不均匀和受扰动的情况下,针对低阻损导流片的实际气动性能开展研究,对于低阻损导流片的工程应用是有必要的。这就是本文的研究目的。目前中国空气动力研究与发展中心正在建设5.5m×4m低湍流度航空声学风洞,在该风洞的研制过程中,如何降低拐角的损失,从而降低风洞回路总损失是该风洞气动设计中的一个重要课题。本文将以5.5m×4m低湍流度航空声学风洞中低阻损导流片的需要为背景,开展低阻损导流片研究,重点研究拐角来流速度分布不均匀和存在气流扰动时导流片的阻力损失性能。本文的研究内容包括两部分。首先在0.55m×0.4m低湍流航空声学风洞(声学引导风洞)第一拐角上,分别采用可控扩散度SA070.61翼型导流片、双圆弧翼型导流片和弯板导流片进行试验研究,测试不同导流片在不同安装角下的阻力性能。然后以试验研究的拐角(导流片)构型为物理模型,进行数值模拟研究,以求更深入地分析理解拐角与导流片流场,进一步分析不同导流片存在性能差异的原因。通过研究,取得了如下主要研究结果:试验研究表明,在常温常压、拐角气流平均速度40m/s、气流速度中心高周围低、中心气流与近壁气流速度之比约为2.4:1条件下,可控扩散度SA070.61翼型导流片对应的拐角当地阻力损失系数在0.10左右,相应的风洞回路当量损失系数(风扇段进出口总压之差与试验段平均动压比值)在0.340左右,风洞阻力损失受导流片安装角影响较小;双圆弧翼型导流片对应的拐角当地阻力损失系数在0.18左右,风洞回路当量损失系数在0.345左右,拐角以及风洞阻力损失受导流片安装角影响都不大;采用弯板导流片的拐角的当地阻力损失系数在0.18以上,对应的风洞回路当量损失系数在0.347以上,而且拐角阻力损失受导流片安装角影响明显。总体来看,SA070.61翼型导流片的气动性能最优,双圆弧翼型导流片稍次,弯板导流片的气动性能最差。试验研究进一步验证了风洞中拐角来流不均匀时SA070.61翼型导流片具有较小的阻力损失,可以在大型风洞工程建设中应用。在不同导流片性能对比以及安装角对其性能的影响方面,数值模拟获得了与试验研究一致的结果。通过数值模拟,获得了更全面的拐角(导流片)流场细节,在深入分析流场特征的基础上,得到了一些结果。第一是在来流总压中心高周围低的条件下,与通常均匀自由来流不同,由于涡流影响,部分中心气流将流向周围,使拐角段出流比来流更加均匀,这与常规导流片研究中拐角来流均匀而出流不均匀的现象有一定差异。第二是三维流场的分析结果表明,由于洞壁的三维影响,在导流片靠近尾缘区域,气流会形成明显的旋涡结构,使得三种导流片都表现出一个共同的趋势:导流片背风面静压分布在靠近洞壁附近区域的流向中部出现一个极值,这对导流片性能来说是不利的;而且拐角沿流向的阻力损失分布趋势中出现损失明显增加的位置与此极值位置有对应关系。第三是SA070.61翼型导流片的背风面静压分布除靠近上下洞壁附近有一个极值点外,从导流片前缘到后缘静压呈单调递减分布;而双圆弧和弯板导流片背风面静压分布均呈“W”分布,具有两个静压极值点,这个现象可以帮助我们从表面压力分布的角度理解为何SA070.61翼型导流片具有更低的阻力损失。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-22
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 拐角及其导流片简介  11-13
  1.3 国内外研究现状  13-20
    1.3.1 导流片翼型研究  13-16
    1.3.2 导流片排列研究  16-18
    1.3.3 导流片其他应用研究  18-20
  1.4 本文研究目的及主要研究内容  20-22
第二章试验装置  22-32
  2.1 0.55m×0.4m 低湍流度航空声学风洞  22-25
  2.2 导流片模型  25-31
    2.2.1 可控扩散度SA070.61 翼型导流片模型  25-28
    2.2.2 弯板导流片模型  28-30
    2.2.3 双圆弧翼型导流片模型  30-31
  2.3 测试装置  31
  2.4 本章小结  31-32
第三章实验结果与分析  32-48
  3.1 截面等效总压的计算  32-36
  3.2 试验结果  36-48
    3.2.1 SA070.61 翼型导流片实验结果  36-39
    3.2.2 双圆弧翼型  39-42
    3.2.3 弯板翼型  42-44
    3.2.4 讨论与分析  44-48
第四章拐角导流片流动数值模拟方法  48-70
  4.1 物理模型及其网格生成  48-50
  4.2 数值模拟方法  50-58
    4.2.1 控制方程  51-52
    4.2.2 求解方法  52-53
    4.2.3 湍流模型  53-57
    4.2.4 边界条件  57-58
  4.3 数值模拟方法验证  58-60
  4.4 数值模拟结果  60-68
    4.4.1 拐角段沿程压力损失分布  60-61
    4.4.2 导流片二维损失  61-62
    4.4.3 导流片的三维损失  62-63
    4.4.4 拐角段中心截面总压分布  63-64
    4.4.5 拐角段出口流场  64-65
    4.4.6 导流片表面静压分布  65-68
  4.5 总结  68-70
第五章结果与讨论  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-76
个人简介  76

低阻损拐角导流片技术研究

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