非定常流场数值模拟与优化研究

２０１０年１２月　第２８卷第６期　西北工业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ　Ｄｅｃ．　２０１０　Ｖ０１．２８　Ｎｏ．６　

基于非结构嵌套网格的　

旋翼一机身干扰流场数值模拟　

许和勇，叶正寅，史爱明　

（西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安７１００７２）　

摘要：文章基于非结构动态嵌套网格对直升机旋翼／机身干扰非定常流场进行了数值模拟研究。流　

场区域被分为２个相互嵌套的子域，即运动区和静止区。运动区包含桨叶，并且随着桨叶一起旋转。　

静止区包含机身，通过重叠区域传递流场信息。采用非定常Ｅｕｌｅｒ方程和双时间推进方法模拟了美国　

佐治亚理工学院旋ｇ／机身干扰实验外形非定常流场，并将计算结果与实验值以及文献的计算值进行　

了对比分析，吻合较好，得出了旋翼机身干扰的一些规律。　

关键词：非结构网格，嵌套网格，旋翼／机身干扰，非定常流场，双时间方法　

中图分类号：Ｖ２１１．５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－２７５８（２０１０）０６－０８１４－０４　

直升机与常规的固定翼飞机不同，其旋翼绕桨　

毂作高速旋转运动，而且旋翼和机身之间的相互干　

扰又使得流动更加复杂化，所以旋翼机身干扰问题　

的研究一直是空气动力学领域的难点内容之一。目　

前，采用ＣＦＤ方法来计算直升机流场时，计算网格　

普遍采用结构化嵌套网格¨　】，使得网格生成的难　

度大大降低。但是，需要格外注意在人工边界位置　

附近的网格尺度要尽量保持一致，以提高贡献单元　

的插值精度，另外网格的块数也随着桨叶数目的增　

加以及直升机外形复杂度的增加而急剧增加，这都　

加大了结构嵌套网格生成的人工干预量。　

非结构网格以其可以适应复杂外形网格生成的　

优势，在近些年得到了迅速的发展，将其应用到直升　

机旋翼／机身干扰的流场计算中，可以大大减少嵌套　

网格的块数　Ｊ。许和勇等　已经成功地运用非结　

构嵌套网格计算了单独旋翼的前飞非定常流场，相　

第３６卷第１期　北京交通大学学报　Ｖ０１．３６　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１２　

文章编号：１６７３—０２９１（２０１２　Ｊ０１—００６３—０５　

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法　

李启，杨庆山　

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４）　

摘要：给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法．该算法基于有限差　

分法，采用曲线坐标结构网格，能精确描述形状复杂的物面边界，为下一步准确模拟含有因结构受　

风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础．该算法采用投影法解耦纳维一斯托克斯方程中的压力和　

速度，对非定常流场的时间步进采用二阶Ａｄａｍｓ—Ｂａｓｈｆｏｒｔｈ方法．采用同位网格以减少计算所需内　

存，为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象，计算对流速度时采用Ｒｈｉｅ—Ｃｈｏｗ　

动量插值方法，利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序，对德州理工大学（ＴＴＵ）建筑足　

尺模型绕流风场进行了模拟，所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较，结果表明，本文算　

法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法．　

关键词：曲线坐标；同位网格；动量插值；大涡模拟；预前模拟　

中图分类号：ＴＵ９７３　文献标志码：Ａ　

Ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｗｉｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｏｕｎｄ　

ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

ＬＩ　Ｑｉ，ＹＡＮＧ　Ｑｉｎｇｓｈａｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１３ｅｉｉｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｗｉｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｏｕｎｄ　

ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａ　ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｆｏｒｍｕ—　

Savonius型风力机非定常流动的

CFD和PIV研究

摘要：本文旨在介绍Savonius（萨沃纽斯）型垂直轴风力发电机流场的研究。这种风力机结构紧凑，可当做多级能源使用。它的转子高度大约相等于转子直径，因此，风力发电机组的流动模拟需要三维模型。由于其操作原则和叶片气流角的连续变化，可以观察到强烈不稳定影响造成的分离和涡脱落的现象。在这种情况下，用K-ω和DES湍流模型可以得到良好的实验效果。

在本次工作中，我们采用CFD研究Savonius型风力机在不同流场条件下的行为，并确定其性能和尾迹的演变。流场分析能帮助我们判别风力机设计的好坏。为了验证模拟的准确性，在风洞中进行PIV试验研究，它可以确定真实的流场结构并验证数值模拟的精度。

1. 介绍

风力机通常被分为两种类型：水平轴和垂直轴。这样分类与转轴相对风的位置有关。因此，Savonius型风力机和Darrieus,Gyromill,H-rotor等等风力机一样归类为垂直轴风机。Savonius型风力机以拥有此专利的芬兰工程师Savonius命名。转子的基本版本是个S形横截面，这个S形横截面由两个半圆形与它们之间的一小部分重叠的叶片组成。Savonius型转子被列为拖动式垂直轴风力机，其操作原理主要是基于凸叶片和凹叶片之间的阻力差。然而，转子的不同角位置以及升力也能产生扭矩。文献3是Savonius型风力机优点的综述，这种风力机设计简单稳健，可支持高风速，在低风速下也具有良好的启动特性和操作性。它不需要定向装置，能在任何风向下工作。这种风力机比转速低，不幸的是它的功

率系数比较低。

关于Savonius型转子的试验和数值研究已经很多很多。文献1,4,5,6,7是关于风洞中的试验。在文献8,9,10,11中，为了获得转子内部以及周围的速度场，很多作者使用粒子成像技术或者粒子跟踪测速法。除了试验，文献1,12,13,14还展示了许多数值研究。

《机电技术》２０１０年第２期　机电研究及设计制造　基于非定常数值模拟的微型循环水泵性能预测　郑　炜　（福建省机械科学研究院，福建福州３５０００５）　摘要：为准确预测微型循环水泵外特性，分别采用ＳＳＴ　ｋ一　湍流模型和ＲＮＧ　ｋ—　湍流模型及滑移网格技术，对　微型循环水泵内叶轮、吸水室、环形压水室和进出口管的非定常流动进行了数值模拟，并与试验进行了对比分析，研究　表明ＳＳＴ七一　湍流模型的预测精度较高。　关键词：微型循环水泵；湍流模型；非定常；外特性　中图分类号：ＴＨ３１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４８０１（２０１０）０２－０８６—０３　目前，很多学者应用ＣＦＤ技术对离心泵进行定　常流动数值模拟，在指定的工况下对其扬程、轴功　率、效率等性能参数进行预测，以检验其性能是否　达到设计要求　。但同时研究发现，由于叶轮复杂　的几何形状、转动的叶片与静止的压水室间的相对　运动、偏离最优工况时吸水室水流圆周运动等因素　使得离心泵内部流动呈现非定常流动的特征。为　此，本文采用不同湍流模型对微型循环水泵进行了　三维非定常计算，预测了其外特性。　１数值计算方法　１．１数学模型　对于不可压缩牛顿流体的非定常流动，笛卡　尔坐标系下的连续方程与运动方程可表示为瞳　ｆ　：。　｛　（１）　Ｉ　＋ｖ　ｕｕ）：　一　＋　Ｌ　Ｏｔ　式中Ｐ——水的密度　Ｉ１——速度矢量；　ｐＦ——质量力：　Ｐ——压力；　——动力黏度。　为了使上述方程组封闭，对于湍流的处理方　式，本文采用ＲＮＧ　ｋ—Ｆ湍流模型和ＳＳＴ七一　湍　流模型。应用ＲＮＧ后一￡模型时，其　和　方程　如下　：　一Ｏ（ｐｋ）＋　：÷　，Ｉ１　一ｐ　（２）Ｚ　一＋一＝一ｌ口　一Ｉ＋　一口　Ｏｔ　‘　＋　＝　ｃ　等　卜ｃ－　＿ｃｚ　式中　：　＋　：　占　Ｃ　Ｕ・０８４５，　ｌ・３９　：ｃ一—ｑ（１－Ｖ—／ｒ／ｏ）　一　～　１＋ｐｒｌ　Ｃｌ　＝１．４２，　＝１．６８　２　＝　ｃ　＋　ｑｏ＝４．３７７．Ｐ＝０．０１２　应用ＳＳＴ　ｋ－６）湍流模型时，其ｋ和　方程　如下嘲：　Ｏ（ｐ　ｋ）＋　：　一　’　＋毒［（　＋　）考Ｏｘ］ｄ　Ｉ　Ｉ　。　Ｊ　ｌ　：　詈　一　＋三％　ＬＬｏｘ　＋　］　］．，』　Ｉ　＋（１－　）２　：　（５）　式中　＝ｔａｎ　ｈ（口曙　４）　ａｒｇｌ＝ｍｉｎ『＿一　Ｌｐ，ｏ￣ｙ　５　ｏ＿￣１，　４ｐ￣７ｏＪ２ｋ］　＝ｍａｘ（２　彻　１　Ｏｋ　Ｏｃｏ，　－０×　。］　２内部流场的数值模拟　２．１计算对象及网格划分　微型循环水泵的几何参数及设计工况参数如　下：叶轮外径Ｄ２＝５３ｍｍ，叶片数ｚ＝８，设计流量　Ｑａ＝２ｍ　／ｈ，设计扬程Ｈａ＝２．８ｍ，转速ｎ＝　２９４０ｒ／ｍｉｎ，比转数ｎｓ＝１１７。其结构简图如图１所　不。