基于渦粘性模型的翼型湍流流場(chǎng)熵產(chǎn)率計(jì)算

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(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

1 引 言

翼型作為葉片的截面形狀，對(duì)流體機(jī)械的工作性能起著至關(guān)重要的影響，因此翼型流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算在工程上有重要意義。傳統(tǒng)的翼型氣動(dòng)性能分析側(cè)重于在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上進(jìn)行氣動(dòng)力計(jì)算以及流動(dòng)分離特性研究，缺乏對(duì)翼型流場(chǎng)中能量轉(zhuǎn)換不可逆特性的研究。如果能夠掌握流場(chǎng)中能量損失的大小及分布，就可以有針對(duì)性地改善其性能，從而提高整個(gè)流體機(jī)械的工作性能。

熵產(chǎn)表征系統(tǒng)的不可逆性及流動(dòng)中能量損失的大小，基于熱力學(xué)第二定律的熵分析方法，廣泛應(yīng)用于不可逆現(xiàn)象比較集中的流動(dòng)與傳熱系統(tǒng)中[1-3]。Alabi等[2]將熵分析引入飛行器一體化設(shè)計(jì)中，并采用數(shù)值方法計(jì)算了B747-200整個(gè)流場(chǎng)的熵產(chǎn)。Li等[3]將熵產(chǎn)作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)二維翼型進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，卻只考慮粘性耗散的熵產(chǎn)，未能詳細(xì)分析湍流引起的熵產(chǎn)。Doty等[4,5]采用響應(yīng)面方法對(duì)非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的熵產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算。Adeyinka等[6]推導(dǎo)了熵的輸運(yùn)方程。Herwig等[7,8]采用RANS方法對(duì)熵的輸運(yùn)方程進(jìn)行了時(shí)間平均，并將熵產(chǎn)分為四項(xiàng)。計(jì)算湍流熵產(chǎn)時(shí)，通常采用兩種方法,文獻(xiàn)[7]用湍動(dòng)能耗散率代替脈動(dòng)速度場(chǎng)對(duì)熵產(chǎn)進(jìn)行求解，從而建立了湍動(dòng)能耗散率與熵產(chǎn)的關(guān)系，但壁面處的熵產(chǎn)須采用經(jīng)驗(yàn)公式單獨(dú)求解；文獻(xiàn)[8]采用渦粘性模型，通過湍流粘性系數(shù)來代替脈動(dòng)速度場(chǎng)對(duì)熵產(chǎn)進(jìn)行求解。

本文以NACA0012翼型為研究對(duì)象，應(yīng)用RANS渦粘性模型中五種不同的湍流模型，計(jì)算不同攻角下翼型流場(chǎng)的熵產(chǎn)率，評(píng)估由粘性耗散和湍流耗散所引起的不可逆損失的大小及分布情況。……