超临界翼型吸气层流减阻控制数值研究

使用Fluent求解器,分别对超临界翼型上翼面全吸气及部分区域吸气时进行了层流减阻数值研究,探究了不同吸气系数及雷诺数对翼型转捩位置和阻力的影响规律.结果表明:①对上翼面全弦长范围进行吸气控制,能有效地推后转捩位置.当吸气系数超过某一值时,能够使上翼面达到全层流状态,从而减小翼型阻力;②只对上翼面15%~65%弦长区域内进行吸气控制,当吸气系数达到一定值时,可达到与全吸气时几乎相同的减阻效果;③其他飞行条件相同时,在较小雷诺数下,减阻效果较好.     

层流控制技术及对飞行器气动加热的影响研究

本文主要介绍了层流控制技术的基本原理和主要技术途径,分析了层流控制在飞机减阻和外表面红外隐身方面的作用。在低湍流度风洞中,利用萘升华试验,在NACA64A-204后掠机翼模型上,研究了吸气流量和压力梯度分布等对层流控制效果的影响,研究结果表明:前缘吸气可以抑制CF波的成长,吸气流量对层流区的范围有显著的影响,随着吸气流量增大,层流区范围逐渐增大。利用对称机翼模型,研究了层流控制对气动加热的影响,研究结果表明:层流控制技术可以显著扩大层流区的范围、减小气动加热、降低表面温度,前腔的吸气流量对层流控制效果起主导作用,并存在最佳值,吸气流量过大不会进一步改善层流控制效果,吸气流量过小则达不到最好的层流控制效果。     

低雷诺数下翼型层流分离泡及吹吸气控制数值研究

在低雷诺数下Eppler387翼型表面会出现层流分离泡现象,因此本文使用Fluent求解器开展吹/吸气控制翼型表面层流分离泡的数值研究,主要探究了射流位置、射流角度、射流速度比三个控制参数对层流分离泡控制的影响规律.研究结果表明,采用与SSTκ-ω湍流模型耦合的γ～(Reθt)转捩模型可以准确预测层流分离泡的位置;吹/吸气可以有效抑制低雷诺数下层流分离泡的发展,明显提高低雷诺数下翼型升阻比.固定射流位置,较大吸气速度比和较小吹气速度比可分别获得较好的流动控制效果,且吸气控制比吹气控制对层流分离泡的抑制作用更加有效.     

低雷诺数下吹吸气射流对NACA0012翼型气动性能的影响

基于Favre过滤的大涡模拟方法,对雷诺数Re=10^4,迎角α=6°下的NACA0012翼型上表面吹吸气射流进行了数值模拟,从翼型周围流场流线图、速度场云图、上下表面压力系数曲线以及上表面边界层位移厚度等多角度地分析了射流位置以及速度变化对翼型气动性能的影响。结果表明:射流位置对翼型气动性能影响较大,且吸气射流要明显优于吹气射流。对于吸气射流,前缘吸气要明显优于中后缘吸气,可有效增升减阻,并减小翼型尾部流动分离,抑制翼型气动参数扰动,其最佳吸气位置随着速度的增大逐渐向下游移动;而吹气射流对翼型气动系数的作用效果较差,但中后缘的吹气射流可减小飞行过程中的气动扰动量,且吹气越大,效果越明显。     

过失速薄翼增升流动控制方法

在低速风洞中对薄翼升力特性进行了试验研究。采用吸气装置在翼型上表面进行流动控制,利用外式天平测量翼型气动力,利用PIV测试设备获取翼型表面流场。试验来流速度为5m/s,雷诺数6.7×104。研究结果表明:过失速条件下,合适的吸气控制可以使翼型失速迎角延迟近7°,最大升力系数可增大近一倍;在翼型前缘进行吸气流动控制时,较小吸气流量即可延缓翼型失速,但当吸气流量达到一定值时后,随吸气流量增大翼型升力基本保持不变;流动控制参数存在优化空间,当吸气相对位置位于x/c=0.4附近时,吸气流量小于3%即可产生较大的升力增量。     

二维翼型微吸吹气减阻控制新技术数值研究

结合抽吸气转捩控制和微吹气湍流减阻控制的特点,探索了一种新的吸吹气减阻控制技术。使用Fluent求解器,并利用用户自定义函数(UDF)二次开发对其自带的Wilcox转捩模式进行了修正。在此基础上,数值研究了吸吹气控制对翼型阻力性能的影响。结果表明：在一定的吸气量范围内,吸气、吸吹气控制都能使翼型总阻力减小,且在同一雷诺数下,吸气控制能使翼型总阻力减小约3%,而吸吹气联合控制使翼型总阻力减小约16%。由此可见,吸吹气控制技术是一种行之有效的减阻控制技术。     

二维翼型抽吸气层流控制技术的数值研究

数值模拟了表面开孔吸气控制下的翼型绕流流场。主要研究了孔径、孔间距、吸气区大小和位置等吸气参数对二维翼型气动性能的影响。计算选用SSTk-ω湍流模型,并对标准的Wilcox转捩模式进行了修正。计算结果表明:修正的转捩模式能较好地模拟表面吸气引起的转捩位置的变化;在不同孔径、孔间距和吸气区位置的吸气控制下,翼型总阻力随吸气系数的增加均呈先减小后增大的变化规律;采用较大的孔径、孔间距以及较小的吸气区域进行吸气控制,具有较大的翼型阻力恢复吸气系数和较低的相对阻力最小值。     

低雷诺数翼型局部振动非定常气动特性

针对低雷诺数翼型特殊的气动特性,采用基于动网格的非定常数值模拟方法,研究翼型表面不同弦向位置的局部蒙皮以不同频率及振幅振动时对低雷诺数翼型气动特性及流场结构的影响,揭示蒙皮振动增升减阻的机理。研究表明,在低雷诺数条件下局部蒙皮振动可有效提高翼型气动特性,与刚性翼型相比蒙皮局部振动可使翼型升力系数提高,阻力系数降低,升阻比提高。振动位置对翼型气动特性及流场结构有显著的影响,振动表面位于翼型前缘附近或位于层流分离泡中心时可有效控制翼型层流分离,从而提高翼型气动特性。振动频率对翼型表面层流分离及转捩位置均有显著的影响,随着振动频率增加,翼型气动特性出现最优值。与刚性翼型相比,表面振动使翼型转捩位置略向上游移动,摩擦阻力增加,但振动使等效翼型相对厚度减小,压差阻力明显减小。在小幅振动范围内,随着振幅增加,流场非定常特性更加显著,翼型升阻比增加。     

F-16XL为HSCT进行超音速层流试飞

目前一架F-16XL研究机已经被改装成一架超音速层流控制概念研究机。该机的左机翼被装上了一个带有很大的吸气表面翼套。这项试验将对美国高速民用运输机(HSCT),即下一代超音速民用飞机的研制具有重要的意义。装上新翼套的F-16XL已完成了首次飞行。为其制订的一系列试验计划将要验证仅仅使用目前的吸气技术是否能在超音速飞行下维持机翼表面的大部分区域为层流区,从理论上讲,通过对机翼前段翼型外形的正确设计,组     

低雷诺数下层流分离的等离子体控制

为有效控制层流分离特性,消除或减弱低雷诺数时小迎角下的升力非线性现象,改善翼型升力特性,并通过翼型的上表面转捩带与油流显示测量对等离子体激励控制机理进行阐述,对厚度为16%椭圆翼型低雷诺数下的气动特性进行了风洞试验研究。在此基础上,在上表面前缘10%弦长处布置激励器,通过压力分布测量观察等离子体激励对层流分离的影响。试验结果表明：当翼型上表面仅发生层流分离时,等离子体激励和转捩带的作用类似,可以有效延迟或者消除后缘层流分离,从而增加升力;当翼型上表面出现层流分离气泡并发生再附现象时,等离子体可以有效减小或者消除层流分离泡的范围,从而减小升力;通过控制层流分离,占空循环等离子体激励可以实现对低雷诺数小迎角下的升力的线性控制。     

跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法

跨声速层流翼型设计须兼顾优良的超临界特性和自然层流特性,因而对设计方法提出了更高的要求。针对现有反设计方法和直接优化设计方法的不足,发展了一种适用于跨声速层流翼型的混合反设计/优化设计方法。该方法引入了基于经验的局部流场特征作为反设计目标,翼型性能指标作为直接优化设计目标,然后加权形成了混合反设计/优化设计总目标,并同时考虑了气动和几何约束。优化算法采用基于自适应并行加点技术的代理优化,流动数值模拟采用耦合基于线性稳定性理论的e^N转捩自动判定的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器。针对现代中短程民用客机需求,以NPU-LSC-72613翼型为基准,开展了层流翼型减阻的混合反设计/优化设计。分别将局部目标压力分布、总阻力作为反设计和直接优化设计目标,得到了较好的优化结果,验证了方法的有效性。经过2轮优化结果显示混合反设计/优化设计总目标显著下降。所设计翼型吸力面局部压力分布与目标压力分布基本一致,总阻力下降15.5%;吸力面和压力面层流范围均大于55%倍弦长,激波强度显著减弱,说明所设计翼型同时具有优良的超临界和层流特性。将所设计翼型配置到机翼上,通过三维数值模拟进行校验,结果显示所设计跨声速层流机翼升阻比提高了6.64%,在一定升力系数范围内,气动性能均有显著提高,验证了所设计跨声速层流翼型在机翼设计中的适用性。     

层流流动主/被动控制技术

摩擦阻力在民机总阻力中占很大比重,减少摩擦阻力对改善民机性能和实现绿色航空具有重要意义。层流摩擦阻力远小于湍流摩擦阻力,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动,是减阻的一个重要途径。目前形成了自然层流流动、全层流流动和混合层流流动控制（HLFC）3种层流流动主动控制技术。本文基于减阻和流动不稳定分析,对3种控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益和应用层流流动控制技术的飞机的设计方法及维护（包括预防昆虫和冰粒等污染的措施）等方面作了较为系统的阐述。概要地介绍了X21A、Jetstar、Boeing 757等飞机的HLFC飞行试验验证项目,结果表明了层流流动主动控制技术的有效性和困难性。本文也从原理到飞行试验较为系统地介绍了一种层流流动被动控制技术。     

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。     

层流流动控制技术及应用

民机受到的摩阻占其总阻力很大比例,减少摩阻对改善民机性能和降低成本具有重要意义.层流摩阻远小于湍流摩阻,因此扩大层流区,甚至实现全层流流动是减阻的一个重要途径.为此,形成了包括自然层流流动、全层流流动和混合层流流动3种层流流动控制技术.本文从减阻分析,对3种层流流动控制技术的概念、方法、优缺点、可带来的效益,层流流动控...     

HLFC后掠翼优化设计的若干问题

使用扩展自由变形参数化方法,基于径向基函数的动网格技术和改进的混合粒子群算法,考虑吸气的e^N转捩预测方法和雷诺平均Navier-Stokes求解器,搭建了针对混合层流流动控制（HLFC）后掠翼的优化设计平台,对HLFC后掠翼的气动外形设计、雷诺数影响、吸气分布设计等多个问题进行了研究,对比分析了在这些因素影响下HLFC后掠翼的阻力系数和层流区长度的差别,进而探索了相应的设计准则。研究表明,对于层流区较长和阻力系数较小的HLFC后掠翼来说,它们上表面的压力分布具有共同的特征：头部峰值较低,之后有一个小的逆压,接下来是一段较长的均匀稳定的顺压,这段顺压最后终结于一道激波。应用HLFC技术后,通过实现大面积的层流区,机翼的摩擦阻力和压差阻力均可显著地降低,降低的幅度远大于不考虑层流控制的设计结果。同时,HLFC机翼的设计应综合考虑摩擦阻力、压差阻力、激波强度和配平阻力（低头力矩）,层流区最长不一定意味着阻力最小。一般来说,雷诺数越高,越难维持层流,但应用混合层流控制技术后,即使在难以实现自然层流的高雷诺数下,HLFC机翼依然有较长的层流区。通过对吸气分布的设计进行研究,说明了非均匀吸气比均匀吸气要更有效率一些,能够节省吸气量。     

Numerical analysis and optimization of boundary layer suction on airfoils

Numerical approach of hybrid laminar flow control(HLFC) is investigated for the suction hole with a width between 0.5 mm and 7 mm. The accuracy of Menter and Langtry’s transition model applied for simulating the flow with boundary layer suction is validated. The experiment data are compared with the computational results. The solutions show that this transition model can predict the transition position with suction control accurately. A well designed laminar airfoil is selected in the present research. For suction control with a single hole, the physical mechanism of suction control, including the impact of suction coefficient and the width and position of the suction hole on control results, is analyzed. The single hole simulation results indicate that it is favorable for transition delay and drag reduction to increase the suction coefficient and set the hole position closer to the trailing edge properly. The modified radial basis function(RBF) neural network and the modified differential evolution algorithm are used to optimize the design for suction control with three holes. The design variables are suction coefficient, hole width, hole position and hole spacing. The optimization target is to obtain the minimum drag coefficient. After optimization,the transition delay can be up to 17% and the aerodynamic drag coefficient can decrease by 12.1%.     

基于遗传算法及转捩模型的层流翼型优化设计研究

讨论了层流翼型对飞机机翼减阻的重要意义,概述了遗传算法的优化原理及其特点。在基准翼型的基础上,以Hicks—Henne型函数的解析函数线性叠加法来描述翼型。采用遗传算法完成了层流翼型优化设计。计算中采用了转捩模型耦合SST两方程湍流模式,通过求解雷诺平均的N-S方程组模拟了翼型的转捩流动。对计算结果进行了分析,分析表明优化翼型在升力特性、阻力特性方面比基准翼型有很大的提升,达到了优化升阻比的目标。     

Laminar flow control research at TsAGI: Past and present

This paper presents a brief review of activities in laminar flow control being performed at the Central Aerohydrodynamic Institute named after Prof. N.E. Zhukovsky (TsAGI). These efforts are focused on the improvement of the existing laminar flow control methods and on the development of new ones. The investigations have demonstrated the effectiveness of aircraft surface laminarization applications with the aim of friction drag reduction. The opportunity of considerable delaying of laminar-turbulent transition due to special wing profile geometry and using boundary layer suction and surface cooling has been verified at sub- and supersonic speeds through various wind tunnel testing at TsAGI and during flying laboratory experiments at the Flight Research Institute (LII). The investigations on using hybrid laminar flow control systems for friction drag reduction were also carried out. New techniques of laminar flow control were proposed, in particular, the method of local heating of the wing leading edge, boundary layer laminarization by means of receptivity control, and electrohydrodynamic methods of boundary layer stability control.