石嘉舜,刘振宇,周子翔,王凤龙,徐春龙

• 1:长安大学理学院
• 2:长安大学工程机械学院

摘要(Abstract)：

本文以蜡烛自燃空气对流与平板大攻角绕流为理论基础，对2022年青年物理学家锦标赛(IYPT2022)设计题“蜡烛动力涡旋机”(Candle Powered Turbine)针对性地开展了理论分析、实验研究和数值模拟分析。本文根据蜡烛燃烧的纹影法图像对蜡烛流场进行简化，建立了蜡烛自燃空气对流模型，并将平板大攻角绕流模型进行推广应用，得到了纸螺旋在蜡烛流场中所受扭矩的理论公式；通过实验探究了环带宽度、轴向倾角对纸螺旋扭矩的影响规律，并获得了最优化参数；对最优化装置进行了CFD数值仿真分析和实验研究，仿真结果和实验结果较好地吻合，验证了本文所提出的纸螺旋在蜡烛燃烧形成的空气对流场中运动的扭矩理论的准确性。本文的贡献是，把燃料燃烧形成的自然对流作为动力应用在旋转装置，对余能利用具有潜在的应用价值；三维平板大攻角绕流模型的建立为雷诺数在10~4～10~6范围内时三维平板类大攻角低速绕流的总压力计算提供了简便的计算方法。

关键词(KeyWords)： 平板绕流;大攻角绕流;总压力;自然对流

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 国家自然科学基金(52201103);; 陕西省自然科学基金(2021JQ-257);; 大学生创新创业训练计划(G202210710094,S202210710150);; 长安大学教学研究项目(BY202327)

作者(Author): 石嘉舜,刘振宇,周子翔,王凤龙,徐春龙

参考文献(References)：

• [1] 石于中，吴其芬，任兵.有限平板绕流Monte-Carlo方法仿真[J].空气动力学学报，1991(3):324-329.SHI Y Z,WU Q F,REN B.Monte Carlo simulation of flow around a finite plate[J].Journal of Aerodynamics,1991(3):324-329.(in Chinese)
• [2] 王元靖，范召林，吕全洲，等.大攻角流动的非定常特性分析[J].空气动力学学报，2007(2):145-149+156.WANG Y J,FAN Z L,LV Q Z,et al.Analysis of unsteady characteristics of flow at high angles of attack[J].Journal of Aerodynamics,2007(2):145-149+156.(in Chinese)
• [3] 谢晴，谢军龙，郭晓亮，等.基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟[J].武汉工程大学学报，2018,40(6):673-677.XIE Q,XIE J L,GUO X L,et al.Numerical simulation of flow around a flat plate based on the aerodynamic scheme[J].Journal of Wuhan University of Engineering,2018,40(6):673-677.(in Chinese)
• [4] 高波，苟文波，郭鹏明，等.不同间距比下串列平板绕流尾迹的LDA试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2019,40(10):1709-1715+1734.GAO B,GOU W B,GUO P M,et al.LDA experimental study on the wake of tandem plates in different spacing ratios[J].Journal of Harbin Engineering University,2019,40(10):1709-1715+1734.(in Chinese)
• [5] 高波，苟文波，郭鹏明，等.D型平板绕流尾迹流场测试与POD分析[J].工程热物理学报，2020,41(6):1385-1391.GAO B,GOU W B,GUO P M,et al.Measurement and POD analysis of wake flow field around D-type flat plate[J].Journal of Engineering Thermophysics,2020,41(6):1385-1391.(in Chinese)
• [6] 高波，陈来祚，苟文波，等.不同间距比下错列双平板绕流流场的PIV测量与POD分析[J].流体机械，2020,48(9):18-22.GAO B,CHEN L Z,GOU W B,et al.PIV measurement and POD analysis of flow field around staggered double plates at different spacing ratios[J].Fluid Machinery,2020,48(9):18-22.(in Chinese)
• [7] 郭鹏明，高波，苟文波，等.串列平板叶栅尾迹速度场的LDA实验研究[J].工程热物理学报，2018,39(4):788-792.GUO P M,GAO B,GOU W B,et al.LDA experimental study on the wake velocity field of tandem plate cascades[J].Journal of Engineering Thermophysics,2018,39(4):788-792.(in Chinese)
• [8] 姜海波，曹树良，程忠庆.平板大攻角绕流升力和阻力系数的计算[J].应用力学学报，2011,28(5):518-520+557.JIANG H B,CAO S L,CHENG Z Q.Calculation of lift and drag coefficients of flow around a flat plate at high angles of attack[J].Journal of Applied Mechanics,2011,28(5):518-520+557.(in Chinese)
• [9] WHITE F M .Fluid mechanics[M].McGraw-Hill,2004:487-491.
• [10] 李晓辉，王宏伟，熊红亮，等.高速条件下细长旋成体背风区流动特性试验研究[J/OL].兵工学报：1-8 [2022-11-23].LI X H,WANG H W,XIONG H L,et al.Experimental study on flow characteristics in leeward area of slender bodies of revolution under high-speed conditions[J/OL].Journal of Military Engineering:1-8 [2022-11-23].(in Chinese)
• [11] 程克明，范召林，尹贵鲁.大攻角流动非对称性成因与对策[J].南京航空航天大学学报，2002(1):17-21.CHENG K M,FAN Z L,YIN G L.Causes and countermeasures of flow asymmetry at high angles of attack[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2002(1):17-21.(in Chinese)
• [12] REDING J P,ERICSSON L E.Re-examination of the maximum normalized vortex-induced side force[J].Journal of Spacecraft and Rockets,1984,21(5):433-440.
• [13] 李锋，汪翼云，崔尔杰.翼型大攻角绕流的数值模拟[J].航空学报，1992(1):17-22.LI F,WANG Y Y,CUI J E.Numerical simulation of flow around airfoils at high angles of attack[J].Acta Aeronautica Sinica,1992(1):17-22.(in Chinese)
• [14] 机械工程手册.1,基础理论卷[M].2版.北京：机械工业出版社，1996:59-60.
• [15] HOERNER S F.Fluid-dynamic lift[M].Hoerner Fluid Dynamic,1975.
• [16] VITERNA L A ,JANETZKE D C.Theoretical and experimental power from large horizontal-axis wind turbines[J].NASA Technical Memorandum,1982:265-280.
• [17] OSTOWARI C ,NAIK D.Post stall characteristics of untwisted varying aspect ratio blades with a NACA4415 airfoil section,1984:176-194.
• [18] 干尧根.斜圆锥对数螺旋面方程订正[J].建筑机械，1988(5):17-18.YU Y G.Correction of logarithmic helicoid equation of oblique cone[J].Construction Machinery,1988(5):17-18.(in Chinese)