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.     

叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

小展弦比飞翼标模纵航向气动特性低速实验研究

对小展弦比飞翼气动布局外形,通过常规测力风洞实验方法得到其纵向气动特性和偏航控制特性,在分析其气动特性后,选取典型的状态采用 PIV 实验方法对其流动机理进行研究,研究表明小展弦比飞翼在较小的迎角下即出现前缘分离涡,随着迎角的增大,前缘分离涡强度增大,且逐渐往机体对称面方向移动,随着迎角进一步增大,分离涡变得不稳定,涡核开始摆动,最终破裂,破裂位置从后缘开始,逐渐前移。对小展弦比飞翼气动布局飞机的控制难点偏航控制进行研究,结果表明该飞翼布局模型在实验迎角范围内偏航方向是静稳定的,在小迎角下具有可操纵性,迎角大于6°后嵌入面处于破裂的前缘涡尾迹之中,操纵性降低。     

低雷诺数下50°后掠三角翼的旋涡流动

采用数值模拟和流动显示的方法研究了50°后掠角三角翼在低雷诺数下的旋涡流动,结果表明:低雷诺数下,非细长三角翼在5°攻角时就形成了稳定的前缘涡,较小攻角时前缘主涡就开始破裂,并观察到泡型和螺旋型两种旋涡破裂方式。另外,在一定的攻角范围内,前缘主涡的外侧又生成一对新的集中涡,构成双涡结构;随着攻角的增大,前缘涡涡核不断升高,主再附线向中心移动,二次分离区扩大。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

不同迎角下脊形前体绕流数值模拟研究

脊形前体有较强的背风涡流场,不同的前体形状对前体涡流场和气动力有很大的影响。本文针对脊形前体飞行器大迎角湍流大分离流动计算的困难,采用IDDES混合湍流模型,以及与之匹配的非定常算法,研究了不同来流迎角下脊形前体的气动特性,以及背风涡非定常演化、破裂的细致流动结构。选取了不同脊形角,以及不同上、下高宽比的脊形前体进行计算。计算结果表明,在迎角较小时,随着迎角的增大,前体主涡会逐渐增强,在迎角较大时,前体主涡破裂;在相同迎角下,脊形角较小时,前体涡较强,涡升力也更大;对于相同脊形角的前体,当上半截面高宽比较小时,前体主涡强度较大,前体涡破裂临界迎角较小,即会提前破裂。     

双后掠鸭翼气动特性的数值模拟

首先针对具有中等前缘后掠角梯形鸭翼的缺点提出双后掠鸭翼概念,然后分别对安装梯形鸭翼和双后掠鸭翼的近距耦合鸭式布局的气动性能进行数值模拟研究,分析影响双后掠鸭翼气动性能的流动机理。研究表明：在大迎角时,对于双后掠鸭翼,具有较大前缘后掠角的外翼段可以使鸭翼涡在涡核破裂后仍能形成稳定集中涡并保持较高的强度,增加鸭翼本身的失速迎角,并通过诱导作用改善机翼外翼段流场,进而提高全机大迎角性能,但在小迎角时会破坏鸭翼附着流或前缘气泡涡的发展,造成略微的升力损失。拥有较大失速迎角的双后掠鸭翼在小迎角时具有较大的可用偏度,可以增强布局的抬头控制能力。双后掠鸭翼在满足隐身约束的前提下,超声速阻力较小,具有较好的超声速性能。     

启动过程压缩空气储能向心涡轮三维流动特性研究

为研究压缩空气储能系统的向心涡轮启动过程内部流动损失特性，本文采用全三维计算流体动力学（CFD）模型对其启动过程过程进行了数值模拟，与实验结果对比表明，虽然该模型在启动初始阶段与转速稳定阶段存在一定误差，但仍能够整体上反映启动过程的效率变化特征。在此基础上，进一步分析了启动过程中动叶通道内损失区及流场变化特征，结果发现，动叶进口攻角是影响内部流场主要因素：在启动初始阶段，叶轮进口攻角较大，动叶载荷集中在叶片前缘，形成明显的通道分离涡与前缘涡；在快速启动段，攻角减小，动叶载荷沿弦长分布更为均匀，通道分离涡及前缘涡逐渐减小并向叶片吸力面迁移。在整个启动阶段，动叶通道内高损失区也随着通道分离涡逐渐迁移且变小，并向相邻叶片吸力面集中。     

变攻角下被动射流旋涡对高速扩压叶栅性能的影响

对被动射流旋涡(PJV)控制高速扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,并探究其在变工况条件下的适应特性。结果表明,PJV在设计攻角下可使叶栅总压损失系数降低5.2%,变攻角条件下的损失降低幅度最高可达7.8%,表明其具有较高的控制效率和良好的变工况适应特性。随着攻角的增大,吸力面分离位置提前,射流出口与分离区间的距离减小,PJV能够更为有效地促进附面层内低能流体与主流间的动量交换,使得壁面涡结构得到重新组织,并进一步影响通道涡、集中脱落涡等涡系结构的发展,从而推迟流动分离、减小损失。在综合考虑变攻角流场特性的前提下,应使PJV的作用位置位于分离区上游不远处,所研究的最佳射流位置位于叶片前缘上游40%轴向弦长处。      

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

Experimental and Numerical Investigation of the Effects of Passive Vortex Generators on Aludra UAV Performance

A study of the effects of passive vortex generators (VGs) on Aludra unmanned aerial vehicle (UAV) aerodynamic characteristics is presented. Both experimental and numerical works are carried out where an array of VGs is attached on Aludra UAV’s wing. The flow measurements are made at various angles of attack by using 3-axis component balance system. In the numerical investigation, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) code FLUENT 6.3TM is used in the simulations with fully structured mesh with Spalart-Allmaras (S-A) turbulence model and standard wall function. The comparison between the experimental and numerical results reveals a satisfactory agreement. The parametric study shows that higher maximum lift coefficient is achieved when the VGs are placed nearer to the separation point. In addition to this, shorter spanwise distance between the VGs also increases the maximum lift coefficient, rectangular and curve-edge VG performs better than triangular VG.     

Numerical Investigation of Flow Separation Control on a Highly Loaded Compressor Cascade by Plasma Aerodynamic Actuation

To discover the characteristic of separated flows and mechanism of plasma flow control on a highly loaded compressor cascade, numerical investigation is conducted. The simulation method is validated by oil flow visualization and pressure distribution. The loss coefficients, streamline patterns, and topology structure as well as vortex structure are analyzed. Results show that the numbers of singular points increase and three pairs of additional singular points of topology structure on solid surface generate with the increase of angle of attack, and the total pressure loss increases greatly. There are several principal vortices inside the cascade passage. The pressure side leg of horse-shoe vortex coexists within a specific region together with passage vortex, but finally merges into the latter. Corner vortex exists independently and does not evolve from the suction side leg of horse-shoe vortex. One pair of radial coupling-vortex exists near blade trailing edge and becomes the main part of backflow on the suction surface. Passage vortex interacts with the concentrated shedding vortex and they evolve into a large-scale vortex rotating in the direction opposite to passage vortex. The singular points and separation lines represent the basic separation feature of cascade passage. Plasma actuation has better effect at low freestream velocity, and the relative reductions of pitch-averaged total pressure loss coefficient with different actuation layouts of five and two pairs of electrodes are up to 30.8% and 26.7% while the angle of attack is 2°. Plasma actuation changes the local topology structure, but does not change the number relation of singular points. One pair of additional singular point of topology structure generates with plasma actuation and one more reattachment line appears, both of which break the separation line on the suction surface.     

基于涡流发生器和Gurney襟翼的翼型绕流流动控制试验研究

为了研究翼型扰流流动控制,设计了一种三角形涡流发生器(VG)和两种Gurney襟翼,通过Gurney襟翼与VG 组合布局的方式进行风洞试验,对比了干净翼、干净翼加Gurney襟翼、干净翼加VG及干净翼加Gurney襟翼和VG这4种状态下的试验结果.试验结果表明:安装Gurney襟翼对翼型线性段升力在同一迎角下有明显提高...     

亚声速进气道出口流场畸变控制研究

一种亚声速进气道出口流场存在较严重的总压畸变,为改善其出口流场品质,抑制总压畸变,首先分析了引起总压畸变的原因,即进气道扩张段内边界层发生分离;其次提出了在进气道内安装叶片式涡流发生器的流动控制方法,并进行了仿真验证;最后进行了进气道缩比模型的风洞试验。试验结果表明,在进气道设计马赫数(0.65)和非设计马赫数(0.21)条件下,安装叶片式涡流发生器后,在流量系数0.4～0.85范围内,进气道出口流场的综合畸变指数分别平均降低14.7%和23.8%,因此验证了流动控制方法的有效性。     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

旋成体大迎角分离流的Euler方程数值模拟

用三维Euler方程计算旋成体的大迎角绕流,我们发现:亚声速自由流时,计算得到的是无分离流动,与实际的分离流不相符合,因而计算的法向力大大小于有分离的实验值;而当自由流为超声速,且横向自由流M数较高时,由于背风表面出现激波,无粘Euler方程的数值计算能自动捕捉到背风面上的分离涡,计算法向力与实验值接近。为了对亚声速自由流用Euler方程数值模拟大迎角旋成体背风面上分离涡,根据问题的物理图像,在假设的分离线上,提出强加Kutta条件的方法,成功地计算出有分离流动,使计算的法向力与实验值接近。     

复杂几何细节对增升装置气动性能影响研究

 采用数值模拟的方法研究了主翼翼根几何形状、翼吊发动机短舱、缝翼滑轨及襟翼滑轨舱等几何细节对增升装置气动性能的影响。研究结果表明:切割前缘缝翼时,将大部分翼根整流包留在主翼上会在大迎角下产生低能量的分离涡,造成增升装置气动性能显著恶化,而将大部分翼根整流包切割到前缘缝翼上,能破坏低能量分离涡的产生;大迎角下,短舱上表面、挂架表面及缝翼与挂架之间的间隙产生的分离气流会直接流到主翼上表面,形成大范围的死水区,因此,大尺寸的翼吊发动机短舱会造成增升装置失速迎角及最大升力系数的大幅减小,但安装在短舱适当位置、适当形状的涡流片产生的强漩涡能消除大部分的死水区,挽回部分气动性能损失;缝翼滑轨产生的低能量尾迹会混入主翼附面层,使其能量降低造成升力系数减小,极端情况下缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离,造成增升装置气动性能的显著恶化;襟翼滑轨舱因其较大的几何尺寸会减小襟翼缝道的面积使得襟翼缝道射流加速,有利于吹走襟翼表面的物面分离。     

基于能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究

针对无化学反应和热流输入的叶栅有黏不可压流模型,推导出能量耗散率的组分分解式,根据叶栅流场仿真结果进行分析简化,得到由轴向涡量、轴向阻力和剪切力组成的能量耗散率分解式。结合总压损失,分析了耗散各组分在前缘损失、叶表损失和通道损失中的主导因素:轴向涡量项反映旋涡结构,在通道损失中占主要部分,集中在通道涡和分离面附近;轴向阻力项反映扩压和叶表边界层转折造成的流动损失,在前缘损失和叶表损失中占主要部分,集中在叶栅前部的叶表边界层和主流区;剪切力项反映轴向截面速度不均匀性,在叶栅后部的叶表损失和通道损失中占主要部分,集中在叶表、端壁边界层和分离面附近。旋涡结构和耗散各组分分布特征揭示了叶栅通道中旋涡结构与能量耗散之间的分布关系,分离区并不是主要能量耗散区,高能量耗散区主要分布在叶表边界层(叶栅前部由轴向阻力项主导,后部由剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项主导)、分离面附近(受剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项和轴向涡量项影响)。大攻角情况下,叶栅通道损失显著增加,正攻角促使轴向涡量项的增长点提前,负攻角则使得叶表边界层的速度剪切加剧。     

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。     

端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响

以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同抽吸位置对角区流动结构、通道漩涡发展过程以及叶栅性能的影响规律,寻求控制角区分离的可行方法。研究结果表明:在叶栅前缘上游5%C(弦长)位置实施抽吸,延缓了通道涡的形成,但导致叶栅来流攻角发生改变,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一步恶化叶栅流场,导致叶栅落后角增大,损失增加;在叶栅通道激波后25%C端壁抽吸,吸除了上游端壁积累的高熵低能气流,制约了通道涡的迅速发展,改善了叶栅通道的流场结构,降低了流动损失,但并未对上游流场产生较大影响,是一种可行的方案。然而25%C处抽吸后,未能完全消除分离,在端部与叶栅通道主流之间存在较高损失区域。