摘要利用流体力学计算软件FLUENT对涵道风扇系统的空气动力特性进行初步计算,主要集中在涵道风扇系统迎角较小(0到30度)的情况。由于实际模型的复杂性和实际计算受计算机能力的限制,对实际的几何模型进行简化,即将风扇简化为一个无限薄的作用面,然后利用FLUENT提供的的FAN边界条件来模拟风扇前后的压力突越。最后的数值计算结果与实验值进行对比,两者符合的较好。
关键词涵道风扇;数值模拟;FLUENT;CFD
中图分类号V211.3文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0108-01
涵道与风扇之间复杂的相互作用是计算涵道风扇系统气动力时遇到的主要问题。轴流状态时,由于流过涵道风扇的气流是轴对称的,涵道风扇的空气动力的计算相对来说比较简单。对于轴流状态,参考文献中给出了一种简单有效计算方法。当涵道风扇系统相对来流有迎角时,尚未有很好的理论方法来计算其气动特性。目前对于涵道风扇的气动特性的研究主要有两种途径,一是实验研究,二是CFD,这两者常常结合起来使用,互为补充。本文应用FLUENT对参考文献中的涵道风扇实验模型进行数值计算,然后将数值计算结果与文献中的实验结果进行对比。
1计算模型简化
在进行数值模拟前,首先要根据实际问题建立合理的数值计算模型。本文没有对原实体模型进行完整的建模,而是作了适当的简化。简化的主要原因是由于涵道风扇系统的完整模拟计算需要大量的计算量。本文的简化主要在以下方面:
将风扇简化为一个无限薄的作用盘,即忽略风扇的几何特征,然后根据实验的风扇推力值设置作用盘前后表面的的压力差。此外在本文中忽略风扇诱导的周向和径向诱导速度。相应于几何模型的简化,本文还用了比较简单的层流模型。
2计算过程
本文计算了原始唇口模型,风扇转速8000rpm,来流速度为30m/s,系统迎角分别为0o、10o、20o、30o几种典型情况。虽然初始网格密度已经足够大了,但是为了使计算结果更准确,进行网格局部加密是必要的。本文在计算过程中对唇口等压强梯度大的区域进行了局部网格细化处理,取得了较好的效果。例如在10度迎角的情况下,网格局部优化前涵道与轮毂上产生的总推力为10.4N,网格局部优化后涵道与轮毂上产生的总推力增大为13.2N,增幅为27%。
3计算结果及对比分析
图1、2、3分别对比了计算的和实验得到的涵道风扇系统的升力,推力,俯仰力矩系数。作为对比图中还表示了将孤立涵道的气动系数实验值与风扇推力实验值简单相加得出的总升力,推力和俯仰力矩系数。由图中可以看出FLUENT的计算结果与实验值符合很好,尤其是升力,而通过将孤立涵道实验值和风扇推力简单相加得出的值要远远小于实验值。
图1涵道风扇升力系数随迎角的变化
值得注意的是,在30度迎角时计算的升力系数有一个突然下降的趋势,如图2,而实际的实验中直到40度迎角时,升力系数才出现明显的下降。升力系数的突然下降可能是由于计算模型中的涵道后半部在30度时出现的气流分离引起的,计算的气流分离比实测的提前可能是由于简化模型中没有考虑周向和径向诱导速度。参考资料中对比了孤立涵道和有风扇在涵道中自由旋转两种情况下涵道上的气动系数的差别。发现在有风扇自由旋转(没有能量输入)的情况下涵道中的气流分离被延迟了,而且升力系数也更高一些,如图4。对此参考文献中作出的解释是,风扇的旋转可以起到重新分配涵道中气流能量的作用,即将速度大的区域的能量重新分配到速度小的区域,从而延迟涵道内的气流分离。
图2涵道风扇推力系数随迎角的变化
图3涵道风扇俯仰力矩系数随迎角的变化
图4孤立涵道和有风扇在涵道内自由旋转时的涵道产生的升力系数的对比
与预测的涵道风扇升力和俯仰力矩系数相比,FLUENT预测的推力与实验相差较大。计算推力小于实验值可能是由于唇口处的网格密度不够引起的。如前面所述,对涵道唇口处网格的局部加密可以大幅度增加涵道推力的精度(增加27%)。由于涵道唇口是涵道推力的主要来源,增加涵道唇口处的网格密度有望提高计算精度。
4结束语
综上所述,涵道风扇系统的气动力和力矩系数与孤立的涵道和风扇推力简单相加得到的值有很大的差距,而应用FLUENT可以合理的计算出风扇与涵道之间的相互作用。通过与实验值的对比也显示出FLUENT的数值计算结果的有效性。
本文主要是对涵道风扇系统的一个初步分析计算,以后要进行的改进主要有以下几个方面:1)将计算范围扩展到大迎角的情况。2)对唇口处网格进一步加密。3)进行带有完整风扇叶片模型在内的涵道风扇计算。
参考文献
[1]Grunwald Kalman J and Goodson Kenneth W, “aerodynamic loads on an isolated shrouded-propeller configuration for angles of attack from -10o to 110o,”NASA TN D-995,1962.
[2]Barnes W McCORMICK JR, Aerodynamics of V/STOL Flight, New York,Academic Press,1967.