小型高速水洞实验段形状对流场影响的数值模拟.pdf

2012年6月第37卷第6期润滑与密封LUBRICATIONENGINEERINGJune2012Vo137No6DOI：103969jissn02540150201206003小型高速水洞实验段形状对流场影响的数值模拟张岩汪家道陈大融(清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084)摘要：介绍小型高速水洞的设计原则，在现有圆形水洞的基础上，建立2种实验段截面为方形的水洞模型；利用Fluent对3种模型的收缩段和实验段流场进行对比。结果表明，当实验段的截面由圆形改为其内接正方形时，满足流速不均匀度小于1的区域缩小为原来的06倍；在实验段入口前添加过渡段，增加收缩段出口到实验段人口的距离，可以降低实验段的湍流度。关键词：水洞；流体力学；摩擦阻力中图分类号：U66174文献标识码：A文章编号：02540150(2012)60096NumericalSimulationoftheEflfectoftheTestSectionShapeontheFlowFieldinaMinitypeHighspeedWater-tunnelZhangYanWangJiadaoChenDarong(StateKeyLaboratoryofTribology，TsinghuaUniversity，Bering100084，China)Abstract：Thedesignprinciplesofwater-tunnelwereintroduced，andtwomodelswithsquaretestsectionswerepro-posedderivingfromaminitypehighspeedwatertunne1ThesoftwareFluentwasusedtoanalyzetheperformanceofcontractionsandtestsectionsofthewatertunnelsItisf0undthat，inthesquaretestsection，theareawherevelocityunevennessisbelow1shrunkto06ofthatinthecircularoneTheturbulenceintensitydecreaseswhenthereisatransitionalsectionbetweenthecontractionandthetestsectionKeywords：watertunnel；fluiddynamic；frictionresistance水洞是流体动力学研究中的重要实验装置，主要包括收缩段、实验段、扩散段、轴流泵、拐角、稳定段等构成。一般的水洞，总体尺寸长度般都在1030m、高度一般都在8m左右，结构复杂，水泵功率在几百千瓦、几千千瓦以上，流速一般都较低(低于15ms)，造价昂贵，运行维护成本都比较高。为满足高流速(达到20ms)的实验条件，同时考虑到实验室有限的空间，以及制造、运行成本的问题，清华大学开发了一套小型高速循环水洞，将大型水洞小型化，并保证了实验段具有较高的流场品质。该水洞用于测量回转体表面摩擦阻力特性，因此实验段在常见的圆形、方形和矩形截面中，选择了圆形截面。要获得更多更细节的流场信息，为水下航行器的设计与改进提供进一步的参考依据，就还需要引进其基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目(51021064)；国家自然科学基金项目(51075228)收稿日期：20120117作者简介：张岩(1986一)，男，硕士研究生，从事界面减阻效应研究Email：zhangyan09mailstsinghuaedu(311他的测量方法。粒子图像测速技术PIV，可以无扰动地测量整个流场的瞬时速度场以及流场微观结构，进而为理论和实验提供详细的数据，因此PIV对于水洞实验有重要的作用。然而PIV在工作过程中，要利用激光对所测平面进行照射，形成光照平面，并且要求这个平面在测试区域越薄越好。考虑到聚焦问题，水洞的实验段如果采用圆形截面，就会对PIV的工作产生较大影响。出于对实验模型的外形、装卸，以及PIV工作需要的考虑，就要把目前实验段的圆形截面改造为方形截面。然而水洞小型化之后，由于截面积的减小，水洞壁面对实验段流场的影响就会变得很明显，因此在改造时，必须保证实验段的流场品质不会因为截面形状以及截面积的变化而发生太大改变，才能确保实验的顺利进行及其准确性。本文作者针对以上实验和工程需要，建立了3种收缩段及实验段截面形状不同的水洞模型，并进行了数值计算，分析对比了3种模型在不同流速下的流场品质。1水洞模型针对回转体表面摩擦阻力特性的测量，现有的小10润滑与密封第37卷型高速循环水洞采用了圆形截面的实验段；然而为了PIV的使用，并且考虑成本的因素，就要在尽可能不改变或少改变圆形水洞其他部件外形的基础上，只将圆形的实验段替换为等长度的方形实验段。在这样的前提下，本文作者建立了3种水洞模型来进行流场特性的对比：圆形水洞，大圆变方和小圆变方。由于水洞采用方形截面，因此需要采用3D模型才能反映出实验段流场的状态，但受到计算资源的限制，只对水洞发生改变的区域进行建模。根据实验需要，水洞的实验段必须由圆形截面改造为方形截面。相应的，实验段前后对接的收缩段和扩张段截面也会发生相应的变化。而水洞其余部分没有发生变化。因此，只对收缩段、实验段和扩散段进行建模和计算。根据模型的对称性，只取对称平面间的14部分建模。11圆形水洞现有的圆形水洞由周刚等人设计完成，对几种常见的收缩曲线进行了数值计算，包括Witozinsky曲线、BatchelorShaw曲线、Pennsylvania曲线、双三次曲线、优化双三次曲线和五次曲线。周刚等人对几种收缩曲线出口的流速不均匀度、湍流度进行了对比分析，对入口做了分离校核，最终综合考虑流场品质，选择了五次曲线。圆形水洞模型按照周刚等人的设计，收缩段入口直径406mill，长600mm；实验段的直径为120mm。收缩段和实验段部分的模型如图1所示。图1圆形水洞Fig1Watertunnelmodelroundtunnel12大圆变方此方案中，收缩段入口仍为直径406mm的圆形，长600mm，依然采用五次曲线，截面逐渐由入口的圆形变为出口的正方形，与后面的实验段对接。实验段的截面为直径120mm圆的内接正方形。收缩段和实验段的模型如图2所示。图2大圆变方Fig2Watertunnelmodellargecircletosquare13小圆变方为尽可能节省成本，收缩段与现有的圆形水洞相同。与前两者的主要区别为，在收缩段与实验段之间，添加一个由直径120mm圆形截面变为方形截面的过渡段，其长为290mm，出口与方形实验段连接；此过渡段由圆形水洞中，实验段靠近收缩段的部分演变而来。实验段的截面，为直径120mm圆的内接正方形。收缩段和实验段的模型如图3所示。图3小圆变方Fig3Watertunnelmodelsmallcircletosquare2数值模拟及结果分析本文作者采用Fluent软件对3种水洞模型进行数值模拟，基本步骤为：(1)用ANSYS建立有限元模型；(2)将有限元模型导入Gambit中分配边界条件(速度入口、自由出口、对称平面和内部流体)，输出“msh”文件；(3)选择3D模式进入Fluent，将“msh”文件导入，检查网格并设置尺寸比例；(4)流体模型选择RNGk-e模型，流体定义液态的水，按实际工况设置边界条件，选择收敛较快的SIMPLEC算法作为压力一速度耦合，方程离散格式选择精度较高的二阶迎风格式，收敛精度设置为1010，其他选项采用默认设置；(5)初始化，迭代，最后进行后处理。根据实验需要，对实验段流速为10，15，20ms的3种情况进行了模拟，并对比了3种模型收缩段和实验段的流场品质。主要的评估内容有：收缩段流动分离校核，实验段流场中心区的流速不均匀度、湍流度，“。2012年第6期张岩等：小型高速水洞实验段形状对流场影响的数值模拟1121收缩段分离校核为保证实验段的流场品质，首先需要对3种模型的收缩段进行流动分离校核。对于三维问题，无法采用针对二维流动的Stratford分离准则进行判定，“。而模拟结果中，平滑的迹线表明，在设定的3种速度下，3种模型的收缩段流场都不会发生边界层分离。图4所示为20ms时，大圆变方模型收缩段流场的迹线。图4大圆变方模型收缩段流场迹线Fig4Theflowfieldpathlineinthecontractionofmodellargecircletosquare22实验段流场中心区流速不均匀度流速不均匀度卢和卢：分别为：=一(ul-Um)un一1式中：Umax和Umin分别为中心区最大和最小速度；u为每一点的速度；u为中心区平均速度。实验要求流速不均匀度卢。和卢都小于1。，图5为中心区域流速约为15ms时，圆形和方形实验段的流场速度分布情况。圆形实验段各个截面的轴向流速等值线，为规整的同心圆，因此可以用半径R，来代表某一条等值线；而方形截面的轴向流速等值线，形似同心的正方形，在角落略有变形，但在中心区域基本仍可以用等值线的对角线长度来代表该条等值线，也设其半长度为R。模拟结果表明，3种模型实验段的轴向流速分布有如下规律：(1)在流场中心附近，轴向流速基本稳定在某一个值；当。超过某个值r的时候，流速会快速下降，如图6所示。且3种流速下均有此趋势。161412。10鲁。6420013233138444852555860Ru，mm(a)距入口200nllnRvlmm(b)距入口500mill图6实验段轴向流速的径向分布Fig6Velocitydistributioninthetestsection(a)200mmfrominlet；(b)500mmfrominlet(2)距离实验段人口越远的截面，其r值越小，如图6所示。且此r值与流速大小无关，即10，15，20ms的r值是相同的。(3)在等值线R，=r内部的区域，其轴向流速的平均值，会随着与实验段人口距离的增大而增大，如图7所示。且3种流速下均有此趋势。规律(1)说明，要找到某个截面流速不均匀度和卢都小于1的区域，只要确定一个r值，其对应的速度等值线内部，流速较为稳定，而外部流速会快速下降。规律(2)说明，远离实验段入口的截面，其流速不均匀度小于1的区域会缩小。根据规642086420一_sg越润滑与密封第37卷律(1)和(2)，就可以确定出实验段里3和JB都小于1的区域。如图8所示。对于圆形水洞，该区域为一人口半径57mE，出口半径48mm，长600mm的圆台，轴线与水洞轴线重合；对于大圆变方和小圆变方，该区域为一入口出口均为正方形的棱台，轴线与水洞轴线重合，入口边长约70rflm，出口边长约为55mm，长600mm。因此满足流速不均匀度小于1的区域，圆形水洞的截面积约为大圆变方或小圆变方截面积的2倍。-、暑图7轴向流速随入口距离的变化Fig7Axialvelocityvariationalongthetestsection图8流速不均匀度小于l的区域Fig8Theareawithvelocityunevennesslessthan1另外模拟结果还表明，除了接近实验段入口的区域流速不均匀度会达到05以上，实验段的中部流速不均匀度都在001量级。对比可知，当实验段的截面，由直径120mm的圆形，变为其内接正方形时，截面积缩小到原来的06倍；而实验段内满足流速不均匀度和都小于1的中心区域，截面积会缩小到原来的05倍。小圆变方的过渡段，对于实验段中流速不均匀度小于1的中心区域，没有明显影响。23实验段流场中心区湍流度湍流度直接采用Fluent给出的计算数据。图9为中心区域流速约为20ms时，圆形和方形实验段的流场湍流度分布情况。类似于速度分布，圆形实验段各个截面的湍流度等值线为规整的同心圆，因此可以用半径R来代表某一条等值线；而方形截面的湍流度等值线，形似同心的正方形，在中心区域基本可以用等值线的对角线长度来代表该条等值线，也设其半长度为。648e,Q(a)圆形水洞(b)小圆变方图9实验段流场中心区湍流度分布Fig9Turbulenceinte