Попробуем рассчитать в XFoil профиль NACA 0012. Пояснения и рисунки добавлены по необходимости. Программа имеет текстовый интерфейс. Графическая информация появляется на экране при выполнении тех или иных команд в отдельном окне.
Запуск, общие принципы работы
После запуска, программа выглядит так:
Показана короткая справка. Команды с точками это переход в подменю. Для каждого подменю определен свой набор команд. Введите знак вопроса, чтобы посмотреть доступные в меню команды. Приглашение изменяется при входе в подменю. Выход из подменю на уровень вверх осуществляется по нажатию Enter без команды.
Если команда вводится без аргумента, то аргумент будет запрошен. Рекомендую пользоваться этим. Программа спрашивает очень корректно и предлагает варианты. Много запоминать не придется.
Если ввести команду, не соответствующую текущему меню, программа сообщит об ошибке:
Файл настроек
В программе есть предустановленные настройки для управления расчетами и построением графиков. Настройки можно менять вручную каждый раз при запуске расчета. Также можно создать файл xfoil.def, содержащий настройки. Файл создается с помощью команды WDEF f. Здесь f — это имя файла. Подробнее о настройках можно почитать в разделе Start-up Defaults из файла справки xfoil_doc.txt (используйте поиск Ctrl+F). Пока этого файла нет, Xfoil при запуске пишет «File xfoil.def not found». Это сообщение не является ошибкой. Выполните команду WDEF xfoil.def и в директории запуска программы появится данный файл, а при следующем запуске, программа спросит, следует ли загрузить настройки из найденного в директории файла xfoil.def.
Команды для расчета поляры
Для построения поляры потребуется ввести следующие команды (показаны в порядке следования без вывода на экран). Коротко, происходит вот что: настраиваются параметры разбивки на панели, затем вход в меню oper и настройка вязкости (число Рейнольдса). Далее, я включив аккумулирование в файл naca0012Polar.txt, рассчитал точки от 0 до 18 с шагом 0.5, а затем сбросил начальное приближение командой init и рассчитал точки от -4 до 0 с тем же шагом. Потом выключил акумулирование.
load naca 0012 Selig.dat ppar n 250 t 1 'Enter', 'Enter' oper visc 100000 pacc naca0012Polar.txt aseq 0 18 0.5 init aseq -4 0 0.5 pacc 'Enter' quit
Описание команд
load— загрузка файла с точками профиля. Формат Selig. Файл называется NACA 0012 Selig.dat. Называть можно как угодно. Скачать можно здесь.
ppar — работа с параметрами разбивки на панели. Задается 250 панелей и единица для сгущения разбивки на носке и хвостике профиля. Обратите внимание, что после входа в меню ppar, программа выводит справку в соответствии с которой будет произведена дальнейшая настройка панелей.
До настройки ppar:
После настройки ppar:
‘Enter’ — просто жмем <cr> с пустым приглашением, т.е. Enter, чтобы выйти из ppar на уровень вверх дважды.
oper — вход в меню решения. В программе Xfoil результат для заданного профиля на заданном угле атаки называется рабочей точкой (operating point, airfoil is operated). Поляра состоит из множества таких точек, посчитанных для разных углов атаки. Поэтому меню решения называется oper. Попытка зайти в oper без загрузки профиля потерпит неудачу.
iter 70 — команда принадлежит меню oper. Она указывает максимально допустимое количество итераций (70) для процесса расчета. Бывает рабочая точка не дает сходимости к решению. Её пропускают. Как правило, это связано с закритическими углами атаки. Команда не обязательная. По умолчанию используется число 10. В нашем примере, закритическими углами являются углы более 12 градусов. Процесс решения выдаст сообщение об отсутствии сходимости:
visc 100000 — включение вязкости в расчетах, установка числа Рейнольдса 100000. Можно вводить вместе, а можно сначала ввести visc, а после запроса 100000. Метка в заголовке станет OPERv (viscous):
pacc — начать аккумуляцию (запоминание) «решенных» рабочих точек для поляры. Можно накапливать один или несколько наборов точек поляры, чтобы построить несколько поляр. Команда потребует ввести имя файла для точек поляры. В примере введено naca0012Polar.txt.
aseq 0 18 0.5 — расчет множества точек. Угол атаки: от 0 до 18 с шагом 0.5.
init Следует иметь ввиду, что расчет в программе Xfoil ведется так, что предыдущий рассчитанный угол атаки принимается в качестве начального приближения для последующих. Для того, чтобы установить новое начальное приближение, используется команда init.
aseq -4 0 0.5 — дополнительные точки для отрицательных углов.
pacc (второй раз) — закончить аккумуляцию рабочих точек. Аккумулированные наборы, т.е. поляры можно посмотреть при помощи команды PLIS. Рекомендую найти поиском по текстовому файлу справки команды меню oper (например BL, CPV, Alfa).
quit — выход.
Xfoil профиль NACA 0012 для одного угла атаки
Для того, чтобы рассчитать и посмотреть на одну рабочую точку, можно находясь в меню oper, выполнить команду alfa 5.0 (для угла атаки 5 градусов).
При этом, если включен режим аккумулирования рабочих точек (команда pacc), можно вручную рассчитать все точки, необходимые для построения поляры и они будут сохранены в файле, указанном для команды pacc (naca0012Polar.txt в нашем примере).
Угол атаки по заданному коэффициенту CL
В меню oper доступно решение обратной задачи. Можно по нужному коэффициенту подъемной силы получить угол атаки и распределение давления. Напрмер, вот что получится, если ввести cl 0.78, находясь в меню oper:
На нижней кромке давление выше давления невозмущенного потока (голубая линия) и Cp больше нуля, на верхней поверхности давление ниже давления невозмущенного потока (желтая линия) и Cp меньше нуля.
— коэффициент давления, 
— фактическое давление, 
— давление невозмущенного потока (атмосферное), 
— скоростной напор невозмущенного потока;
Пунктирными линиями показан коэффициент давления для профиля при невязком обтекании на том же угле атаки. Отличие от невязкого обтекания по верхней дуге профиля в виде ступеньки на 10-20% хорды обусловлено возникновением вихревого пузыря (separation bubble или laminar bubble), характерного для потока с малым числом Рейнольдса (Re=100000). См. Joseph Katz, Allen Plotkin — Low Speed Aerodynamics (рис. 14.16, стр.526).
Итог
Получаемые данные в виде текстового файла легко импортируются в Matlab при помощи инструмента Import Data:
Команды Matlab для построения графика. Если вы называете файл по другому, то имя переменной-таблицы, полученной после импорта данных, будет другим. Другими будут и диапазоны строк.
plot(naca0012Polar.CD(1:24),naca0012Polar.CL(1:24)); hold; plot(naca0012Polar.CD(25:35),naca0012Polar.CL(25:35));
Поляра, построенная в Matlab:
На приведенном рисунке CD — коэффициент лобового сопротивления, CL — коэффициент подъемной силы. Красная линия — расчет для углов атаки меньше нуля.
Ссылки
Построение поляры в Xfoil на сайте airfoiltools.com
Калькулятор числа Рейнольдса для профиля
Добрый день ! В какой системе координат происходит расчёт коэффициента подъёмной силы в программе Xfoil ? В скоростной или связанной системе координат ?
В скоростной. Lift — подъемная сила. Подъемная сила определяется в скоростной СК в виде силы, действующей перпендикулярно скорости. Коэффициент подъемной силы её определяет по известной формуле. Сила, действующая перпендикулярно строительной горизонтали на фюзеляж не является подъемной по определению, хотя может с ней совпадать.