摘要
流动转捩是流体力学及其工程应用研究的热点。在航空发动机、船用发动机、能源机械等透平机械中，转捩的研究对于机械效率、热交换等均有着重要意义。本文结合转捩的相关研究，基于γ-Reθ转捩模型，在大雷诺数条件下（1.0×106≤Re≤3.0×106），以NACA0012、NACA0015、NACA0018三组不同厚度的对称翼型为对象，研究改善翼型周围网格对数值模拟精度的影响，同时探究翼型周围流动的转捩判定方法和转捩规律。 本文研究的主要内容为： 一、研究翼型周围网格对翼型绕流流场数值模拟精度的影响。精确预测翼型的转捩在于翼型数值模拟的精确计算，而数值模拟中翼型的各项气动参数和流场的计算精度是受到流场内网格影响的。流场内翼型周围网格情况又在其中起重要作用。通过对翼型表面网格数、0.1c内网格层数、翼型表面第一层网格高度、0.1c内网格法向变化率以及远场网格法向增长率五项影响翼型数值模拟精度的重要因素进行研究，发现对于数值模拟精度影响较为明显的是翼型表面第一层网格高度，其主要是与翼型近壁面捕获流动信息的情况相关。此外网格沿翼型表面法向的变化率是关系到计算域内部流场各相邻网格块之间和网格块中各层网格的过渡情况的。这一参数又与网格的纵横比直接相关，合适的网格法向变化率会使得数值模拟过程更稳定且更容易收敛。同时，根据分析得出当翼型表面网格数为400、0.1c内网格层数为140、翼型表面第一层网格高度为5.0×10-6mm、0.1c内网格法向增长率为1.1、远场网格法向增长率为1.15时，本研究场景下数值模拟计算结果精度最高。 二、探究不同条件对翼型周围流动情况的影响。基于得出的高精度数值模拟的方法进行相关数值计算，并据此分析不同来流条件和翼型厚度变化对翼型周围流场的影响。通过分析，发现随着攻角增加，翼型上翼面的低压区逐渐缩短并向前移动，下翼面的高压区也逐渐向后移动；雷诺数对于翼型周围压力分布情况影响不大，但对于翼型周围流动压力的最值有明显影响；翼型厚度的增加使得上翼面的低压区逐渐扩大。 三、提出基于翼型近壁面湍流强度的转捩判断方法。通过与基于翼型表面摩擦阻力系数Cf的转捩判定方法对比，基于翼型近壁面湍流强度Tu在转捩位置处发生两个数量级的阶跃相比翼型表面摩擦阻力系数在该位置处小于等于一个数量级的变化呈现转捩过程更加明显。此外，使用翼型近壁面湍流强度曲线的阶跃观测转捩可以有效避免转捩前流动扰动带来的影响。同时对比间歇因子云图，翼型周围湍流强度云图更能明显的展示转捩位置前的扰动情况。由此证明基于翼型近壁面湍流强度的转捩判断方法是有效、可行的。 四、翼型周围流动转捩规律的研究。通过对比三组翼型在不同来流条件下的转捩情况以及在固定来流条件下不同厚度翼型的转捩情况。发现对于不同翼型，随着攻角增加、雷诺数增加转捩位置均前移，但前移程度并不完全相同。在攻角变化至较大时，转捩的前移速度均呈现加快趋势。此外转捩前出现的不稳定部分，也在来流攻角增加的过程中逐渐缩短。增加翼型厚度，可以使翼型转捩前的波动情况减弱。同时随着翼型厚度增加，流体沿流线方向的能量增加，对流动起到稳定作用并减少了扰动，故翼型转捩前突出部分的长度逐渐减短，证明同一来流条件下，在翼型相对厚度较高时翼型周围流动更稳定。 本研究一方面提供了在翼型高精度数值模拟过程中改善翼型近壁面网格质量的思路，且在其他翼型的研究中也可以依据此逻辑进行。同时在翼型转捩研究中提出的基于翼型近壁面湍流强度的转捩判定，为转捩的研究提供了新的方法，同时这一基于能量的转捩判定方法也可成为翼型研究中又一研究思路。
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