舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (2): 61-64   PDF    
低速风洞测试干扰数值分析
陈小邹1, 万宇祥2     
1. 武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064;
2. 华中科技大学,湖北 武汉 430074
摘要: 低速风洞测试干扰主要有2种干扰:一种是洞壁干扰,一种是安装支架干扰。以Suboff潜艇模型为例,通过数值模拟的方法验证了洞壁干扰效应和支架干扰效应对阻力测定试验结果的影响。同时验证了低速风洞试验经典的映像修正法和镜像修正法的可靠性,运用该方法对风洞试验的数值仿真结果进行有效的修正。
关键词: 低速风洞     洞壁干扰     支架干扰     数值模拟    
Interference effects by numerical analysis in low-speed wind tunnel test
CHEN Xiao-zou1, WAN Yu-xiang2     
1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China;
2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Abstract: The wind tunnel wall and the mounting frame are two main interference effects in the low speed wind tunnel test. The influence of the wall interference and the support interference on the resistance test results are verified through numerical simulation by using Suboff model. Meanwhile, the reliability of the classic image method for low-speed wind tunnel tests was verified. Wind tunnel test numerical simulation results have been effectively corrected by the method.
Key words: wave buoy     wave parameter     portability     wave following characteristic    
0 引 言

风洞试验的早期阶段主要应用于航空航天工程。随着现代科学技术的快速发展,空气动力学特别是低速空气动力学领域已经完全跨出了航空航天的范畴,扩散到国民经济的方方面面,诸如交通运输工具、建筑物构筑物,以及地球环境等领域的工程问题[1]。洞壁干扰和安装支架干扰[2] 是风洞测试中的2种主要干扰,也是引起测试不确定度的2个重要因素。在风洞试验的领域,1987年AGARD召开会议建议推行风洞试验的数据不确定度评估方法,随之美国建立了相关的评估方法与标准[3]。美国的一些研究机构如NASA、波音公司等也都根据自己的设备和要求进行此项研究[4]。国内方面,随着配套不确定度评价理论的逐步推广与完善,中国合格评定国家认可委员会(CNAS)采用了系统的认可标准,明确指出检测实验室必须建立并实施所有各类校准测量不确定度的评定程序[5]。采用数值计算不确定度分析也开展了相应的研究,在国外方面,Simonsen等[6]应用ITTC的推荐规程对游轮的数值模拟不确定度进行研究,Van等[7]对潜艇标模Suboff的流场数值模拟进行了不确定度分析。国内方面,朱德祥等[8]对Suboff裸艇体的压力分布数值计算不确定度进行了研究,张楠等[9]对Suboff全附体阻力和流场模拟进行了不确定度的分析。

本文采用数值方法对风洞洞壁和安装支架对测试结果的影响进行分析修正,对提高风洞测试时数据分析精度起到积极的作用。

1 理论基础 1.1 控制方程

采将NS方程和连续方程中的瞬时值用时均值和脉动值来替代和简化方程即RANS方程,达到大幅度缩减计算资源耗费的目的。连续性方程和RANS方程表达如下:

$ \frac{{\partial {{\bar u}_i}}}{{\partial {x_i}}} = 0{\text{,}} $ (1)
$ \frac{{\partial {{\bar u}_i}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial {{\bar u}_i}{{\bar u}_j}}}{{\partial {x_j}}} = {F_i} - \frac{1}{\rho }\frac{{\partial \bar p}}{{\partial {x_i}}} + \nu \frac{{{\partial ^2}{{\bar u}_i}}}{{\partial {x_j}\partial {x_j}}} - \frac{{\partial \overline {u_i'u_j'} }}{{\partial {x_j}}}{\text{。}} $ (2)

引入漩涡粘性理论将雷诺应力模化,可得到二阶封闭的漩涡粘性模型,不同的封闭方程构建形式,形成了不同的湍流模型。双方程湍流模型建立湍动能与湍流频率的输运方程,优点在于低雷诺数流动的近壁区处理。本文采用的标准湍流模型对应的方程组如下:

$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho k} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho k{u_i}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{\varGamma _k}\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right) + {G_k} - {Y_k} + {S_k}{\text{,}} $ (3)
$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \omega } \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho \omega {u_i}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{{\varGamma }_\omega }\frac{{\partial \omega }}{{\partial {x_j}}}} \right) + {G_\omega } - {Y_\omega } + {S_\omega }{\text{。}} $ (4)
1.2 数值方法

采用有限体积法对方程进行离散,基于线性重构方法,支持多重几何形状的计算单元,对流项均采用二阶迎风格式离散,速度压力的耦合迭代采用SIMPLEC算法。

1.3 边界条件

对Suboff光体模型数值模拟的边界条件进行设置。

入口条件:入口处边界条件设置为速度入口,速度大小设置随工况逐步改变。

出口条件:出口处边界条件设置为压力出口,认为流动在该处已经充分发展。

艇身、洞壁及支架系统:艇身、洞壁及支架系统表面的边界条件设置为无滑移壁面条件。

无限流场边界:无限流场边界设置为不影响内部流场的条件。

对称面:对称面的边界条件设为镜像对称条件。

2 研究对象及其干扰分析方法 2.1 研究对象

计算对象为相比Suboff标模缩尺比为1∶2的光体模型,模型总长为2.178 m,最大直径处为0.254 m。由于模型几何造型简单,本文的模型直接在ICEM软件的建模环境之下完成建模,如图1所示。

图 1 Suboff模型及安装示意图 Fig. 1 Sub