基于Fluent的风洞腹撑支架干扰分析

辛 颖

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

基于Fluent的风洞腹撑支架干扰分析

辛 颖

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

应用Fluent软件对风洞腹部支撑支架干扰进行数值模拟研究，对有、无支架状态下模型在风洞吹风过程中的表面流场及风压进行计算分析，获得低速风洞吹风试验时支架的干扰量，同时分析不同姿态角的支架对模型的影响。最终通过数值模拟为风洞吹风试验提供参考与依据。

腹部支撑；Fluent软件；支架干扰；数值模拟

0 引言

风洞试验是空气动力学研究的重要手段之一，在低速风洞试验过程中，通过支撑系统来支撑模型，调节模型姿态，引导电路管线等，根据不同的试验目的选取不同的支撑方式。腹部支撑是低速风洞试验中常用的支撑方式，但由于支撑系统暴露在气流中，其气动力会传到天平上，所以要对腹部支撑系统进行支架干扰试验，但这会导致试验工作量大、成本高等问题。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟风洞及其仿真系统[1]可为风洞试验提供辅助支撑，为试验数据的修正提供依据。

1 低速风洞腹部支撑系统干扰

低速风洞试验中，一般根据试验目的、试验要求、模型尺寸的不同，腹部支撑分为单支杆、双支杆和三支杆腹撑，其中单支杆腹撑的支架干扰量较小，模型重量较轻的试验经常采用。单支杆腹部支撑一般由主支杆、辅助支杆和风挡三部分组成，但通过迎角控制机构[2]可实现主支杆单独支撑，使支撑系统安装、拆卸简便。

1.1 单支杆腹部支撑干扰

低速风洞腹部支撑系统对试验测试结果的干扰主要有支杆受力、支杆对模型干扰、模型对支杆干扰。对于內式天平，支杆受力不会传到天平上，可不用考虑支杆受力，因此主要考虑的干扰量是支杆与模型之间的干扰。

1.2 腹部支撑干扰修正

对于低速风洞试验，腹部支撑干扰修正一般采用试验修正、数值模拟修正等，其中试验修正可采用映像两步法[3]。

低速风洞试验映像两步法主要是根据流场叠加原理，进行模型反装风洞试验，分别对拆、装假腹部支杆进行天平气动力测量，其差量认为是腹部支杆的干扰量，气动力计算如下：

(1)

(2)

(3)

其中，公式(1)、(2)、(3)分别为模型正装、反装、反装带映像支杆情况，m表示模型，z表示正装支杆，mz表示模型对支杆，zm表示支杆对模型，z′表示反装支杆。对于模型反装带映像支杆情况，主支杆与假支杆的干扰量很小，可以忽略不计，则Fzz′+Fz′z=0。由公式(1)、(2)、(3)可得，F2与F3的差值为F1的支架干扰量，因此模型气动力为：

(4)

2 支架干扰数值模拟

2.1 数值模拟的基本理论

近地风可近似为不可压缩的湍流流动，在稳态情况下，基于Reynolds时均方程和可实现k-ε湍流模型的控制微分方程如下[4]：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，Ui(i=1,2,3)分别代表x，y，z方向的速度分量，p代表压力，k，ε分别代表湍流动能和耗散率，v代表运动黏性系数，ρ代表密度，vt代表涡团粘性系数(vt=Cμk2/ε)。

2.2 数值模拟

在支架干扰的数值模拟过程中，为了求解方便，忽略复杂模型的仿真计算。假设模型是直径1m的球体，在8m×6m的低速闭口风洞中进行计算分析。本文数值模拟利用Fluent软件中标准k-ε湍流模型，应用SIMPLE压力校正算法来实现速度场和压力场的耦合。

计算区域为16m×6m×8m(长×宽×高)，模型为直径1m的球体，采用具有较好适应性的非结构四面体网格，并在模型附近区域进行网格加密，支杆为锥形柱体，这可以有效减小临界Re数，网格划分见图1和图2所示。

图1 整体网格划分

图2 Z=0处网格划分

为了模拟低速闭口风洞吹风状态，分别给定风洞风速20m/s,30m/s,40m/s,并在俯仰角0°、-30°、30°情况下，对有、无支架状态的模型进行数值模拟，关注模型附近的流场及压力变化。

2.3 模拟结果分析

由于模型选取对称结构，在无支架干扰状态下，不同风速的流场和速压呈基本对称形式。根据图3所示，模型上下边缘速度、速压最大，则此处受力也最大。

图3 不同风速下无支架干扰的流场和速压

对于低速风洞试验，腹部支撑支架对模型有一定的干扰，当俯仰角为0°时，整个区域流场和速压如图4所示，可以看出支架对模型附近流场和速压干扰明显，上边缘速度、受力始终处于最大值，同时，比无支架状态下，速度最大值增长近11%，模型下边缘流场干扰较大。

图4 不同风速下0°俯仰角的支架干扰流场

当俯仰角为-30°时，整个区域流场和速压如图5所示，相对于俯仰角0°时，支架干扰略小，最小风速略佳，同时，上下边缘产生最大值，所以对于俯仰角要求小的风洞试验，此状态的斜壁支撑更合适。

当俯仰角为30°时，整个区域流场和速压如图6所示，相对于无支架状态时，干扰最大，背风面出现较大的失速区域。此状态比无支杆状态下受力减小许多，这使测得的试验数据误差较大，模型局部受力影响明显，误差较大。

3 结论

对于低速风洞试验，腹部支撑支架干扰量对模型试验结果影响明显，需要进行支架干扰修正。随着俯仰角的变化，干扰量也随之发生变化，同时，正俯仰角支架干扰量要高于负俯仰角干扰量。所以，对于小俯仰角的风洞试验，负俯仰角的斜撑支架更适合作为支撑系统。但对于正俯仰角的斜撑装置会使模型局部产生失速区，大大影响了试验数据。通

图5 不同风速下-30°俯仰角的支架干扰流场

图6 不同风速下30°俯仰角的支架干扰流场

过本次数值模拟，验证了支架角度对模型干扰的影响，为以后数值模拟腹部支撑支架干扰提供基础与依据，同时也为风洞试验提供对比参考与支持。

[1] 张涵信. 关于将“数值模拟风洞及其仿真系统”列为重点研究项目的建议[M]. 空气动力学研究文集，绵阳，国防科学技术预先研究空气动力学项目管理办公室，1995.

[2] 周 平,陈天毅，等. 8mX6m风洞特大迎角机构控制系统研制[J].实验流体力学, 2011,25(3):78-81.

[3] 白 峰,胡 冶. 低速风洞试验腹撑支架干扰分析[J].民用飞机设计与研究, 2012(4):33-41.

[4] 陈水福,吕少琳,顾梁平. 球形建筑风荷载及风流场的数值模拟[J].工业建筑,2006(36):127-150.

Research of Wind Tunnel Ventral Support Interfere Based on Fluent

XIN Ying

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Based on Fluent software, numerical simulation have been taken to research to ventral support interference in wind tunnel, analyzed and calculated surface flow field and wind pressure around model with or without support to get the interference of support in low speed wind tunnel. At the same time, analyzed the influence of support with different attitude angle to model. Finally, numerical simulation was provided for reference and basis for wind tunnel test.

ventral support；Fluent software；support interference；numerical simulation

2015-01-06 作者简介：辛 颖(1987-)，女，辽宁辽阳人，硕士，工程师，主要研究方向：风洞试验技术。

1673-1220(2016)01-063-06

V211.74

A