纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

涡襟翼在不同雷诺数下的控制分离特性研究

受鸟类抬起羽毛控制分离流的启发,涡襟翼成为翼型大迎角分离流的控制措施之一。采用数值模拟方法研究不同雷诺数下涡襟翼在控制翼型大迎角分离流动时的气动特性及其物理机制。结果表明：涡襟翼在低雷诺数下能够极大地改善翼型的大迎角升力特性,其物理机理是涡襟翼将翼型主分离涡的涡心位置控制在离翼型更近的区域,且涡心位置的涡量得到大幅提升,使得涡心附近的低压特性影响到翼型上表面,而且涡襟翼能够将翼型上方前区的低压与下游的高压隔开;但是在高雷诺数（对应常规飞机雷诺数）下涡襟翼改善翼型大迎角气动特性的效果远不如低雷诺数情况,由此解释了为什么鸟类能够通过羽毛抬起提高升力特性,而常规飞机的涡襟翼只能作为阻力板使用的原因。     

低雷诺数仿生分离流翼型气动特性初探

为了探索适合低雷诺数微型飞行器的翼型形式,基于对自然界鸟类和昆虫滑翔飞行时翅膀形状的观察,设计出一种由前缘削尖平板和后缘圆弧翼型组合而成的仿生分离流翼型。数值研究结果表明,气流在削尖平板的前缘点强制分离,形成大范围低压分离流动,随后在后部圆弧翼上表面再附形成稳定低压涡流区,从而实现较高的气动效率和较强的抵抗大气湍流的能力。上削尖平板可以使流动分离点固定在削尖点。相对于单独平板,仿生分离流翼型的升力系数有大幅提高,迎角为4°时提高了112%。此外,仿生分离流翼型可以在较宽的迎角范围内（4°~20°）保持高升力,但是迎角增加,阻力也快速增大,因此小迎角情况下（小于4°）气动效率更优。      

翼型等速上仰绕流结构的观测

 翼型在不同转速下等速上仰时,其绕流结构不一样,转速越高,前缘涡开始形成的迎角越大。给定转速时,初始迎角大前缘涡形成得早。终止迎角对流动结构的影响与转速有关。平板翼型上仰时,前缘涡在较小迎角开始形成,涡的尺寸较大。     

翼型低雷诺数层流分离现象随雷诺数的演化特征

层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征。层流分离流动中包含流动分离、转捩、再附等非定常流动结构，层流分离流动的形成与演化会对翼型气动特性产生恶化作用。采用大涡模拟（LES）方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟，研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理。LES方法采用隐式亚格子模型，基于结构化拼接网格，对流项离散和时间推进方法分别采用AUSM⁺格式以及双时间步方法。验证算例计算结果表明数值模拟方法的正确性及可靠性，雷诺数对翼型气动特性具有显著影响。随雷诺数降低，时均分离泡外形增大、位置后移，平均阻力系数增大，特别是在较低雷诺数下，翼型升阻力系数随时间出现振荡现象。进一步研究表明，造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征。随雷诺数降低，流动黏性增大，导致分离剪切层速度梯度减小，流动发生转捩及再附位置后移，直至翼型表面不再发生转捩和再附。     

使用GAO-YONG湍流方程组计算翼型分离流

采用SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组, 对不同来流迎角下的NACA0012翼型绕流结构进行了数值模拟, 给出了翼型绕流分离流结构随迎角的变化特征和翼型在分离绕流中的气动力参数.与实验数据以及大涡模拟结果的比较表明, GAO-YONG不可压湍流方程组能够对翼型绕流的分离点、分离涡形态、表面压力分布、升阻特性做出较好的预测, 能够模拟翼型大攻角分离流动, 计算结果优于FLU-ENT软件中的k-ε、k-ω、k-ωsst模型的计算结果.      

介质阻挡放电等离子体对NACA0015翼型流动控制的PIV实验研究

采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术,研究了介质阻挡放电等离子体激励对NA-CA0015翼型表面流动分离的控制特性。通过风洞实验,研究了电极电压、电极位置和布置方式等参数对翼型分离控制的影响规律,并初步分析了等离子体流动控制机理。结果表明等离子体激励在失速迎角附近可以有效抑制翼型的流动分离,实现气流的完全再附着;在来流速度为20m/s时,将气流再附着的迎角提高了5°。     

一种新型风机翼型设计思路的探索研究

提出了一种新型风机叶片的翼型设计思想。通过在翼型上表面后缘附近设计一个凹坑,形成了一种稳定的驻涡流动,利用该驻涡的影响,与传统的Gurney襟翼联合作用下,提高翼型的气动性能。通过将该方法在瑞士FFA-W3-301风机翼型上的初步运用,数值模拟结果表明:所提出的新型翼型设计思路,不但可以在相同迎角下提高翼型的升力系数,而且可以将原来翼型的失速迎角从12°提高到18°,极大地扩大了翼型的迎角工作范围。是一种具有一定探索潜力的新思想。     

展向具有谐波型扰动的方柱旋涡分离流数值研究

基于Fourier谱方法和有限差分的混合方法,对方型截面柱体的分离流及非定常涡动力学进行数值研究,特别是展向具有谐波型几何扰动对流动演化及受力变化的影响.结果表明,当Re＝100～150,在未引入扰动的柱体上/下表面处(而非前缘)流动发生局部分离,并形成分离泡.流动分离点随Re数增加是逐渐从后缘前移到前缘附近.沿展向引入扰动后,当Re＝100时,在柱体表面产生流向与垂向涡量,甚至抑制了展向涡的发展.当波陡度(波高/波长)为0.167时,产生了类似于发夹涡的结构,此时柱体平均阻力系数和升力系数幅值分别减小了9%和98%.并讨论了相关的机制.     

低雷诺数下翼型不同分离流态的大涡模拟

采用高精度大涡模拟方法,对5°来流迎角、马赫数0.4、三个不同雷诺数(55 000、100 000和150 000)的NACA 0025翼型进行仿真,研究低雷诺数条件下翼型的气动特性。通过对比分析3种工况的计算结果,发现翼型绕流存在两种不同的分离流态:Re=55 000和100 000时,翼型上表面出现大尺度的开式分离,形成宽的尾迹区;Re=150 000时,上表面边界层分离后再附到翼型表面,形成时均化的闭式分离泡,尾迹宽度明显减小。无论哪种流态,Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性均对层流分离诱导转捩过程起重要作用,雷诺数的增加导致转捩过程加速,时均化的分离区也从开式变为闭式。     

Separation control on NACA23012 using synthetic jet

A numerical study of separation control has been made to investigate aerodynamic characteristics of NACA23012 airfoil with synthetic jets. Computed results demonstrated that stall characteristics and control surface performance could be substantially improved by resizing separation vortices. The maximum lift was obtained when the separation point coincides with the synthetic jet location and the non-dimensional frequency is about 1. In addition, separation control effect was proportional to the peak velocity of the synthetic jet. It was observed that the actual flow control mechanism and flow structure is fundamentally different depending on the range of synthetic jet frequency. For low frequency range, small vortices due to synthetic jet penetrated to the large leading edge separation vortex, and as a result, the size of the leading edge vortex was remarkably reduced. For high frequency range, however, small vortex did not grow up enough to penetrate into the leading edge separation vortex. Instead, synthetic jet firmly attached the local flow and influenced the circulation of the virtual airfoil shape which is the combined shape of the main airfoil with the separation vortex. As a way to reduce the jet peak velocity, performance of a multi-array synthetic jet was investigated. Moreover, a high frequency multi-location synthetic jet was exploited to efficiently eliminate the unstable flow structure which was observed in low frequency range. Finally, by changing the phase angle in multi-location synthetic jets, highly controlled flow characteristics could be obtained with multi-array/multi-location synthetic jets. This shows efficiency of the current approach in separation control using synthetic jet.     

Numerical study of separation on the trailing edge of a symmetrical airfoil at a low Reynolds number

This study focuses on the trailing-edge separation of a symmetrical airfoil at a low Rey-nolds number. Finite volume method is adopted to solve the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equation. Flow of the symmetrical airfoil SD8020 at a low Reynolds number has been simulated. Laminar separation bubble in the flow field of the airfoil is observed and process of unsteady bubble burst and vortex shedding from airfoil surfaces is investigated. The time-dependent lift coefficient is characteristic of periodic fluctuations and the lift curve varies nonlinearly with the attack of angle. Laminar separation occurs on both surfaces of airfoil at small angles of attack. With the increase of angle of attack, laminar separation occurs and then reattaches near the trailing edge on the upper surface of airfoil, which forms laminar separation bubble. When the attack of angle reaches certain value, the laminar separation bubble is unstable and produces two kinds of large scale vortex, i.e. primary vortex and secondary vortex. The periodic processes that include secondary vortex production, motion of secondary vortex and vortex shedding cause fluctuation of the lift coefficient. The periodic time varies with attack of angle. The secondary vortex is relatively stronger than the primary vortex, which means its influence is relatively stronger than the primary vortex.     

不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

低雷诺数下空气黏性效应突出,翼型表面普遍存在层流分离现象,相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术,对FX63-137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线,两种结果定性定量均吻合较好,证明了本文的研究方法有效可靠;雷诺数从500 000降至20 000,翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化,伴随阻力系数剧增和升力系数剧降,时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡,并最终演化为后缘层流分离泡,相应的两种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异;对于阻力系数和升力系数而言,存在不同的临界雷诺数,因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增,而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小;非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落,才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时,流线在后缘附近再附,升力系数达到峰值;而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时,尾部流线大尺度分离,升力系数降至谷值。     

翼型大攻角绕流的数值模拟

以求解二维N-S方程数值模拟NACA0012翼型大攻角状态的可压绕流特性;N-S方程是在贴体坐标系中给出的,以代数方法生成C型网格系统。采用LU-ADI格式计算,为提高格式的稳定性在隐式和显式部分分别添加了2阶和4阶人工粘性项。应用BaldwinLomax湍流二层代数模型模拟了大攻角时前缘分离涡的形成,旋涡对流及其非定常现象。在某些Mach数和攻角下NACA0012翼型的湍流解具有周期性。通过比较,本文数值计算结果同实验及国外相应的数值计算结果基本吻合。     

基于IDDES方法的翼型结冰失速分离流动数值模拟

应用基于k-ωSST湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,就失速点附近翼型前缘典型双角状积冰导致的复杂分离流动进行了数值模拟研究.通过与风洞试验结果进行对比,表明对于此类分离流动问题,IDDES方法能够在壁面附近取得良好的速度预测结果,有效解析分离区域内的中小尺度湍流结构,较为准确地描述大尺度时均分离泡的再附位置和形态特征,适用于翼型结冰后复杂流动的精细分析.同时计算结果显示当此带冰翼型位于失速点附近时,角状冰后方脱落剪切层内部的旋涡不稳定析出和输运过程促进了外部流动与回流区域流动间的掺混,将导致流动发生非定常再附现象.     

基于动网格法的翼型启动过程数值模拟

采用动网格法对NACA4421翼型以15°攻角启动过程进行了数值模拟。计算给出了启动过程中尾缘启动涡的生成、脱落与绕翼型环流充分发展的瞬态流场及气动力特性变化曲线,并对升力数据进行了拟合。计算结果表明,启动瞬间,上翼面最大负压和上下翼面最大压强差均出现在翼型后半段,随后逐渐向前缘移动,最终稳定在前缘点附近。下翼面最大正压点和上下翼面压差随弦向位置的最大变化率则始终维持在前缘点附近。加速过程中,整个翼型受到的升力近似于瞬时速度的二次幂指数的规律变化。加速段结束后,翼型转入匀速运动的瞬间出现升力小幅下降的现象,之后逐渐回升至稳定升力。     

振动二元翼流动显示水洞试验研究

本文是用流场显示的方法研究各种形式的机械激励对二元机翼大攻角流场的影响。得到的试验结果表明,所采用的机械激励对大攻角失速分离流动有强的控制作用。它清楚地反映了过去风洞试验结果的物理本质,也为今后的非定常增升效应研究明确了方向。     

Computations of unsteady transonic flow over airfoil at low Reynolds number

Transonic flow over a thin airfoil at low Reynolds number was studied numerically by directly solving two-dimensional full Navier-Stokes equations through 5th order weighted essentially non-oscillatory(WENO) scheme without using any turbulence model.A series of distinguished unsteady phenomena for a thin 2-D transonic airfoil flow were presented.Due to continuous adverse pressure gradient in the subsonic flow downstream of the sonic line, the unsteady separated boundary layer with main vortex and secondary vortex was developed at the rear of the airfoil.At the trailing edge,the vortex-shedding was characterized by periodical connection of the main vortex and secondary vortex on the other side of the airfoil.The unsteady separation and vortex-shedding occurred with the same period.On the airfoil surface,the average pulse pressure related to the unsteady supersonic region was obviously smaller than that related to the vortex-shedding at the trailing edge.With the attack angle increasing from 0° to 2°, the frequency of vortex-shedding decreases about 4.2%.At last, the turbulence intensity and many second-order statistics in the wake region were investigated.