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。     

固定转捩在改善振荡来流下低雷诺数翼型气动性能中的应用

低雷诺数下,翼型表面易于出现的分离转捩现象会降低翼型的气动性能,采用数值计算方法探讨了固定转捩在改善低雷诺数下翼型气动性能中的应用。定常来流下,雷诺数为4×104时,在翼型E387上表面自由转捩位置之前的一定位置处使翼型固定转捩,计算结果表明分离区减小了,升力系数和升阻比明显提高。振荡来流下,雷诺数在8×104的50%范围内变化时,分别计算了NACA4412在0°迎角和E387在3°迎角时自由转捩及在60%弦长处固定转捩的升阻特性,结果显示自由转捩的翼型当雷诺数减小时,性能急剧恶化,而采用固定转捩的翼型受其影响要小得多,具有更加稳定的气动性能。     

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。     

低雷诺数下小型无人机翼型气动特性分析

以小型无人机翼型研究为背景,利用基于线性稳定性理论的eN方法对对小型无人机常用的翼型CLARKY在雷诺数Re=1.0×10~5、5×10~5、1.0×10~6,迎角由-5°~20°时的气动性能进行了计算和对比分析。随着雷诺数的增大,翼型上表面的转捩位置不断向前缘移动,气流分离则由完全分离逐渐转变为层流分离泡结构,使得翼型的最大升力系数和临界迎角增大,阻力减小,最大升阻比显著增大,有利迎角逐渐减小,翼型CLARKY的气动特性逐渐得到改善。     

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。     

低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究

采用计算流体力学(CFD)方法研究低雷诺数下翼面局部振动对翼型气动特性及其流动特征的影响规律。建立局部振动激励的力学模型,并采用任意拉格朗日-欧拉坐标系下的特征线有限元(ALE-CBS)方法对局部振动激励下翼型绕流问题进行模拟,分析局部振动对非定常流动演化的影响规律,揭示其增升机理。研究结果表明:翼面局部变形的增加会有效降低翼型上表面的前缘压力;非定常流动分离中旋涡之间的距离及其演化频率与振动频率的关系是影响翼型翼面局部振动增升效果的重要因素。当流场主频率与振动频率相同,次要频率为主频率的2倍,即发生锁频时,翼面振动产生的移动分离泡能够使分离区从主流获取更多的能量,使翼型上表面保持较低的压力,有效提高翼型升力。     

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.     

低雷诺数下二维翼型层流分离颤振特性

低雷诺数范围内的层流分离颤振现象伴随着强气动非线性和复杂的黏性效应,因此对该现象进行预测和分析具有很高的难度。层流分离颤振会显著地影响部分飞行生物和微型飞行器的飞行稳定性,所以有必要探究其触发和维持振动的机制,以便可以在飞行中抑制甚至避免该类型颤振的发生。采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和γ-Re_(θt)转捩模型对翼型表面的复杂黏性流动现象进行数值模拟,通过耦合结构运动方程,建立时域气动弹性分析方法,其中结构运动方程采用基于预估-校正技术的四阶隐式Adams线性多步法进行时域推进求解。采用该气动弹性分析方法对NACA0012翼型的层流分离颤振响应进行数值模拟,结果表明,该方法可以准确地模拟层流分离颤振现象。对不同湍流度下的层流分离颤振特性进行对比研究,结合瞬时流场结果分析,发现层流分离是触发和维持层流分离颤振的主要因素,高频的尾涡脱落仅增加了气动的非线性,而湍流对此类极限环振荡(LCO)具有一定程度的抑制作用。对比具有不同厚度和弯度的翼型的层流分离颤振响应,发现适当地减小翼型厚度或者增大翼型弯度可以抑制层流分离颤振。     

湍流度对低雷诺数翼型气动特性的影响研究

为研究湍流度对低雷诺数翼型气动特性的影响,采用经过风洞试验验证的基于γ-(Reθt)转捩模型的RANS数值模拟方法,针对典型低雷诺数翼型E387,选取不同雷诺数/湍流度状态开展了对比分析.研究结果表明,湍流度对翼型气动特性的影响十分显著且规律较为复杂.高湍流度可以在一定状态下使升阻比大幅提升,显著改善低雷诺数翼型的气动...     

雷诺数变化对翼型边界层发展及失速特性的影响

翼型失速及其边界层发展是飞行器设计中的基础科学问题,而雷诺数变化对其影响很大。针对后缘失速翼型,采用Menter k-ω SST模型及耦合扰动放大因子输运方程的转捩模型,进行雷诺数变化对层流-湍流转捩边界层特性和失速特性的影响分析。结果表明:雷诺数增大时,对于转捩边界层,当地涡量雷诺数增大,转捩前移且分离泡减小,流动能量耗散减小,翼型整体表面剪切效应增强,动能更充沛,流动自持能力增强,压力分布可以维持较长距离的梯度抵抗分离能力增强;因此雷诺数增大使翼型失速迎角提高、升力系数增加。     

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。     

高速自然层流翼型的设计与风洞实验研究(英文)

为了发展商务客机用的低阻力翼型,本文在荷兰科技大学TST27风洞开展了高速自然层流翼型的实验研究工作。为了减小测量技术对模型流场的干扰,提高测量精度,分别采用了IR,PIV以及阴影法等非接触测量技术。通过这些非接触测量技术的使用,对翼型的转捩位置、后缘分离以及升阻力等气动特性进行了测量研究。从实验结果可以看出,在小迎角范围内,翼型可以在其表面保持较长的层流段,并且后缘分离涡不会随迎角增大而向前发展,使翼型具有高升力、低阻力的特性。从实验结果和计算结果的差别可以看出,实验数据是可靠的,设计的翼型基本满足了设计要求。     

翼型动态失速等离子体流动控制试验

针对动态失速引起的翼型气动性能恶化的问题,利用小型化的激励电源和介质阻挡放电等离子体激励器,借助动态压力测量和外触发式粒子图像测速（PIV）等手段开展了翼型动态失速等离子体流动控制试验研究。结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速,改善平均气动力,提高翼型气动效率,减小气动力随迎角变化的迟滞区域。等离子体诱导出前缘附近的贴体翼面涡,促进分离流再附;增加了上翼面0.2~0.4弦长区域的吸力,减小了升力系数功率谱密度（PSD）分布的二、三、四阶能量幅值,在研究工况下实现了平均升力系数增加7.1%、失速迎角推迟1.3°和迟滞区域减小4.5%的明显控制效果;4°~9°迎角段,等离子体使得翼型平均阻力系数减小40%。此外,振荡频率增加使翼型绕流的非定常性增强,较高雷诺数下的翼型动态分离涡更加难以被抑制,均需要增加等离子体激励强度才能达到较好的控制效果。     

低雷诺数螺旋桨滑流对机翼气动特性的影响研究

深入研究低雷诺数滑流对机翼的影响,能够推进临近空间低速流动机理性研究,提供可靠的气动参数。参考某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨,通过ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量结构网格,应用滑移网格边界条件,对模型进行数值模拟;分析低雷诺数螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,研究不同螺旋桨位置对机翼气动特性的影响,计算结果表明螺旋桨滑流会很大程度地改变机翼表面压力分布和沿翼展的升力分布,对机翼升阻特性有显著影响,同时螺旋桨滑流可以抑制机翼表面层流分离泡的产生。     

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.     

超临界层流机翼边界层及气动特性分析

高空长航时无人机设计巡航状态的雷诺数较小,黏性边界层对气动特性的影响较大。详细分析了雷诺数对机翼边界层和气动力的影响,用数值方法对超临界层流机翼三维层流-转捩-湍流混合边界层特性进行了研究,分析比较了高空小雷诺数和中空大雷诺数情况下机翼三维边界层的特性,尤其是边界层转捩点位置、表面摩阻和气动特性的雷诺数效应。研究表明雷诺数对于高空无人机机翼边界层厚度、摩擦阻力和升阻比影响较大;对层流机翼的转捩点位置和升力系数影响较小;自然层流机翼技术可以应用于高空无人机设计。     

低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

高空长航时无人飞行器(HALE UAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA 633-421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明:随雷诺数降低(Re<1.4×10⁵)机翼气动特性迅速恶化;最大升力系数损失严重,失速迎角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡(LSB),其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro-SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制,失速迎角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.10,最大升阻比增加了13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200~400 Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。     

低雷诺数下螺旋桨翼型非定常气动性能的比较

为得到适用于平流层螺旋桨桨叶叶素的翼型,采用数值方法,通过改变气流速度和攻角,比较研究了低雷诺数下8种典型翼型的非定常气动性能.结果显示,大攻角工况下翼型容易发生流动分离现象,翼型吸力面的分离越严重,气动力的振荡幅度越大.通过比较不同攻角和不同速度下翼型的升阻比大小和气动稳定性得出,SD 8000 - PT翼型具有较高的升阻比和较稳定的气动力,适合作为螺旋桨的翼型.