低雷诺数下双元素翼帆的襟翼几何参数对其推进特性影响研究

为了研究大型船舶在航行中翼帆对其推进性能的影响规律,建立了一种双元素翼帆模型,并采用雷诺平均N-S方程在定常和非定常工况下对襟翼几何参数变化的模型进行数值仿真。结果表明,双元素翼帆气动特性的改变体现了襟翼旋转轴位置、襟翼偏转角以及缝隙宽度之间的非线性耦合作用。襟翼旋转轴位置的前移实际上是增大了缝隙宽度,进而增加了流过缝隙的流体,避免了主翼尾流的流动分离。然而,襟翼旋转轴位置的前移距离也受到襟翼偏转角的限制,在襟翼偏转角为25°,攻角为6°,当襟翼旋转轴位置由90%前移到85%时,襟翼吸力面发生了大尺度流动分离。襟翼旋转轴位置不宜过于靠前或靠后,当相对缝隙宽度为2.4%时,襟翼旋转轴位置为85%较为合理。

低雷诺数下襟翼缝隙几何参数对双元素翼帆推进特性的影响研究

为了研究双元素翼帆在低雷诺数下的失速机理和气动特性,本文采用雷诺平均N-S方程在定常和非定常工况下对双元素翼帆模型进行数值仿真计算。结果表明,增大双元素翼帆的襟翼偏转角时,最大失速角减小,而最大升力系数同时受到缝隙相对宽度的影响,随缝隙相对宽度的增加先增大后减小,且缝隙相对宽度对最大升力系数大小和速度流场的影响要大于襟翼偏转角,襟翼偏转角的选择需保证缝隙射流足够补充主翼尾流因边界层分离引起的能量损失。增加缝隙相对宽度时,主翼尾流和襟翼吸力面先后出现了低速及回流现象,而缝隙相对宽度过小时绕流主翼尾缘的流体会减少,最大升力系数较低,因此缝隙相对宽度和襟翼偏转角共同影响着双元素翼帆的气动特性。

低雷诺数下双元素翼帆翼型失速特性的数值研究

为了研究大型船舶在航行中双元素翼帆的失速特性,采用Transition SST湍流模型求解双元素翼帆翼型流场,进而分析双元素翼帆失速特性的变化规律。通过在襟翼偏转角增大时双元素翼帆的流动变化分析翼型表面流动分离的演化过程:随着襟翼偏转角的增大,助推力系数出现波动式增大,这是由于在多物理参数共同作用时,其中某一参数的变化会带来缝隙绕流的扰动,改变两个自由剪切层的相互作用,造成翼型失速或者改善流动。对于不同襟翼偏转角,在相对风向角为75°~105°内的助推力系数最大,侧推力系数也接近0值,属于最优相对风向角范围。因此双元素翼帆在工作中,当相对风向角改变而引起攻角变化时,为了获得最优推进系数,应先选择襟翼偏转角,再选择合适的攻角。

襟翼弦长对双元素翼帆推进特性的影响

采用数值模拟方法围绕襟翼弦长对双元素翼帆推进特性的影响规律进行研究,结果表明:随着襟翼弦长增大,主翼尾缘的流体回流幅度越来越大,一定量的流体回流能补充主翼的尾流分离;当襟翼弦长c_(2)与总弦长c之比为0.5时,过多的流体回流会干涉主翼尾流,引起附面层分离;在翼帆0.95h截面上,主翼吸力面尾缘和襟翼吸力面前缘的压力载荷呈弧形下降,表现为双元素翼帆翼尖回流和缝隙回流现象。最终认为c_(2/c)=0.4的双元素翼帆模型较为合理。