流過曲率面的粘性流體薄翼理論的探討

汪一舟 董泉潤

摘 要：現如今，大部分學者針對粘性流體進行薄翼理論探究，以往所得的研究結果不夠全面，這在一定程度上會對后續研究活動起到阻力作用，同時，薄翼理論得不到豐富和完善。本文首先對薄翼理論做了基本介紹，在此基礎上，探究了粘性流體（流過曲率面）的薄翼理論，希望能為相關研究學者提供思路，以及參考依據，這對粘性流體特點介紹具有重要意義。

關鍵詞：曲率面；粘性流體；薄翼理論

粘性流體通過薄翼理論予以分析，在實際分析期間應采用RANS方程式優化分析流程，解決分析過程中遇到的問題，以此提高分析結果的準確性，這對問題解決方案合理化制定，流過曲率面的粘性流體探究具有重要的現實意義。本文通過螺旋槳這一案例進行分析，以此充實論文內容，為論文開展提供有力依據。

1 薄翼理論基本介紹

薄翼理論尚未形成之前，設計完成后的飛行物體薄翼往往存在翼型過厚、分離明顯等現象，這在一定程度上會導致實際升力與理論說面上存在較大偏差，進而會加大飛行物體阻力，基于此，應完善薄翼理論，針對理論中涉及的力矩問題、焦點位置問題、升力系數設置問題逐一解決。后來，在總結設計經驗和實際飛行現狀的基礎上，對其進行薄翼假設，即以中弧線形狀創新翼型，借助儒可夫斯基升力定理設置合理的升力系數，最終生成薄翼理論基本方程。經多次實驗驗證，適當彎度的機翼能夠大大減小空氣阻力，進而薄翼理論基本方程需要再次補充[1]。

在了解薄翼理論的基礎上，分析粘性流體（流過曲率面）的動力性能，有利于豐富薄翼理論，深入分析粘性流動的動力性能。

2 流過曲率面的粘性流體薄翼理論探究

2.1 螺旋槳水動力性能的分析方法

常用分析方法主要有四種，第一種方法即升力線法，該方法實際分析中往往會降低求解準確性，不利于充分彰顯水動力性能分析效果；第二種方法即升力面法，這種方法是在薄翼理論和第一種方法的基礎上形成的，該方法應用后由于片面描述螺旋槳形狀，進而槳葉壓力會零散分布，同時，計算精度得不到提高；第三種方法即面元法，這種方法能夠有效處理空泡問題，全面描述螺旋槳形狀，有效彌補升力面應用方面存在的問題，與此同時，結構相對復雜的翼身能夠應用這一方法進行分解分析。分析水動力性能的過程中，雖然第二種方法和第三種方法能夠具體預報，但這僅限于勢流基礎之上，計算時會忽視粘性影響，進而計算完成后需要再次調整和修正。第四種方法即應用RANS方程的CFD法，該方法能夠將上述三種方法應用過程中存在的問題妥善解決，即在了解問題的基礎上，制定適合的解決方案，充分發揮水動力性能分析效果[2]。

隨著粘性流體復雜度的不斷增加，相關商業軟件不斷出現，適用性最強、適用效果最好的RANS方程解決軟件應運而生，即利用CFD代碼分析法進行流場預報，現如今，LES法能夠在倒車敞水螺旋槳模擬中發揮重要作用。

2.2 RANS粘流方法具體應用

2.2.1 尺度效應

螺旋槳敞水試驗準備的過程中，要想提高試驗準確性，優化試驗效果，應首先遵循相關準則，必要時根據試驗特點遵循相似準則，以此形成實際流動和模擬實驗間的不同，這也是粘性尺度效應形成的依據。為了彰顯試驗代表性，全面分析尺度效應大小，對此應探索適合的修正方法，以此優化螺旋槳水動力性能分析效果[3]。

2.2.2 非常規螺旋槳性能

它能夠為端板槳、管槳、半潛槳（SSP）、吊倉式螺旋槳推進器（POD）等裝置研究提供正向引導。原有的預報方法存在應用誤差，對此應創新預報方法，CFD技術應用的過程中，能夠全面分析物理機制，這是對以往研究方法的有效突破，與此同時，還能在空泡性能研究、伴流影響等方面表現應用優勢。但CFD法在其他動力效應分析、航向穩定性預報等方面存在應用不足，這也是今后相關研究者分析的重點。

2.2.3 空泡誘導脈動壓力

由于這一壓力對空泡間斷性較強，并且預報能力相對較弱，因此，現有的預報工作均在模型試驗的基礎上進行，為了更好的了解螺旋槳空泡特性，針對泡空泡、局部片空泡、云空泡、片狀超空泡、梢渦空泡等多種空泡現象全面掌握，應用LES方法能夠充分彰顯非定常空泡模擬精度的應用優勢，同時，還會改善空泡起始。除此之外，CFD法能夠全面解析空泡效應，對其進行準確的量化測試。

2.2.4 船/槳/舵及附體相互干擾流動的水動力

掌握粘性流體薄翼理論能夠針對舵表面已有的“負拉力”有效降低，并且還能通過優化設計的方式提高推進速度。特殊類型的螺旋槳在實際應用中會產生空化梢渦以及尾渦兩種現象，進而會直接腐蝕槳表面、破壞舵的完整性。船體后部流場還會在舵、船體、附體、螺旋槳的共同作用下增加復雜性，進而槳的水動力性能在分析期間應全面考慮尾部流場狀況。相關研究學者通過運動重疊網格法分析螺旋槳工作環境，同時，全面分析舵這一影響因素，并且計算分析獨立槳敞水性能，最后能夠發現，要想全面分析水動力性能，應在具體研究中將船體、槳、舵及相關附體視為同一整體[4]。

3 結論

綜上所述，以螺旋槳水動力性能分析為例，探究流過曲率面的粘性流體的薄翼理論，這不僅能夠創新分析方法，而且還會提高薄翼理論的應用效果。這對薄翼理論豐富具有重要作用，有利于為后續研究活動奠定良好基礎。

參考文獻：

[1]陳進格，劉鵬寅，竺曉程.薄翼非定常氣動力的渦方法計算[J].工程熱物理學報，2014，35（07）：13001303.

[2]劉獻禮，張安山，李茂月.環形刀3軸銑削小曲率面的刀具切觸幾何分析[N].華中科技大學學報（自然科學版），2015，43（04）：611.

[3]王展智，熊鷹，齊萬江.船后槳的布局對螺旋槳水動力性能的影響[N].哈爾濱工程大學學報，2012，33（04）：427431.

[4]賀偉，李廷秋，李子如.船用復合材料螺旋槳水動力性能影響因素研究[J].中國造船，2015，56（04）：119128.