翼型低雷諾數(shù)層流分離泡數(shù)值研究

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1、第24卷　第4期空氣動力學(xué)學(xué)報Vol.24,No.42006年12月ACTAAERODYNAMICASINICADec.,2006文章編號:025821825(2006)0420416209翼型低雷諾數(shù)層流分離泡數(shù)值研究白　鵬,崔爾杰,周偉江,李　鋒(航天空氣動力技術(shù)研究院,北京　100074)摘　要:翼型在不可壓和低雷諾數(shù)條件下工作時的性能越來越引起了人們的研究興趣。本文采用Rogers發(fā)展的雙45時間步Roe格式,求解擬壓縮性修正不可壓N2S方程。數(shù)值模擬了低雷諾數(shù)條件下(Re=6.0×10

2、,1.0×10,2.0×610),E387翼型在不同攻角條件下(α=0°、4°、7°)翼上表面后緣部分的層流分離現(xiàn)象,對應(yīng)于長分離泡。時均化的[12]結(jié)果同McGhee的試驗結(jié)果進行比較,驗證了計算結(jié)果的正確性。研究了低雷諾數(shù)層流分離的非定常和時均化特性,并對漩渦脫落中主渦、二次渦以及出現(xiàn)的漩渦對并的周期性過程和對氣動力脈動造成的影響進行了較為細致的研究。非定常計算結(jié)果表明,低雷諾數(shù)條件下的層流分離現(xiàn)象,是周期性的旋渦脫落過程。所謂長層流分離泡是其時均化積分的結(jié)果。關(guān)鍵詞:低雷諾數(shù);不可壓;層流

3、分離泡;非定常中圖分類號X:O357.1;V211.15;V211.3文獻標識碼:A們普遍關(guān)心的問題之一。深入研究并控制翼型在低0　引　言雷諾條件下廣泛存在的層流附面層分離現(xiàn)象是提高　　翼型在不可壓和低雷諾數(shù)條件下工作時的性能飛行器低雷諾數(shù)性能的迫切需要。越來越引起了人們的研究興趣。這是由于人們希望　　前人對于層流分離現(xiàn)象已經(jīng)開展了較為廣泛的[1～4][5～8]提高常規(guī)飛行器和輕型大展弦比滑翔機的低速特性。研究。方法多采用試驗和數(shù)值模擬兩種。所提高遠程有人駕駛飛行器性能,發(fā)動機葉片效率以及研究的

4、問題集中在兩方面:(1)對低雷諾數(shù)層流分離螺旋槳推進器的高空性能。另外直升機旋翼,風(fēng)力渦現(xiàn)象自身規(guī)律的觀測,比較和分析,如雷諾數(shù)和攻角輪機葉片和自由飛模型研究和設(shè)計中,低雷諾數(shù)性能的影響;(2)采取一定的方式對層流分離現(xiàn)象加以干也都占據(jù)著重要位置。同時近幾年內(nèi)迅速興起并廣擾以控制所造成的影響。如:改變來流的湍流度,在泛開展的微型飛行器(MicroAirVehicles)的研究和設(shè)翼型前緣附近增加絆線強制轉(zhuǎn)捩,以及在流場中增加[2,3][9]計也需要對二維翼型以及各種不同形狀不同展弦比聲波激勵等措

5、施。Gaster(1966)和Horton[10]三維機翼開展廣泛深入的探討。(1968)等人的工作是研究層流分離泡問題的奠基　　許多具有重大意義的空氣動力學(xué)問題出現(xiàn)在以性工作。層流分離泡是翼型低雷諾數(shù)流動中廣泛存5[9]翼型為參考長度的雷諾數(shù)低于2×10范圍,如二維在的現(xiàn)象。Gaster通過在平板上方安裝輔助翼型,對稱翼型在低雷諾數(shù)條件下出現(xiàn)的氣動力在小攻角在平板上形成不同強度的逆壓梯度的方式,形成層流[1][10]范圍(0°附近)隨攻角非線性變化現(xiàn)象,翼型最大升分離現(xiàn)象,并加以研究。Hort

6、on進一步描述出了經(jīng)5阻比在2×10附近迅速降低,以及升力系數(shù)在小雷典二維層流邊界層分離泡的結(jié)構(gòu)(見圖1)。認為:由[2]諾數(shù)條件下隨攻角變化的靜態(tài)滯回等現(xiàn)象。人們于逆壓梯度的存在,層流附面層中流體所包含的動量經(jīng)過大量研究,普遍認為低雷諾數(shù)條件下出現(xiàn)的這些不能繼續(xù)克服逆壓梯度而前進,在分離點位置,流線現(xiàn)象同翼型低雷諾數(shù)條件下的層流分離現(xiàn)象密不可逐漸離開壁面。隨后,分離的層流邊界層在空中發(fā)生分。其中翼型在低雷諾數(shù)條件下,出現(xiàn)的層流分離泡轉(zhuǎn)捩形成湍流附面層,在強的湍流剪切應(yīng)力作用下,現(xiàn)象(一般認為分

7、:短泡分離和長泡分離兩種),是人外界的能量被引入,使附面層又獲得足夠的動量,造X收稿日期:2005205211;　修訂日期:2005208222.基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(10232010,10032060)作者簡介:白　鵬(19732),男,博士,高級工程師,研究方向:計算流體力學(xué),非定?？諝鈩恿W(xué),低雷諾數(shù)空氣動力學(xué).第4期　　　　　　　　　　　　　　白　鵬等:翼型低雷諾數(shù)層流分離泡數(shù)值研究417[11]觀測結(jié)果,其本質(zhì)都是時均化的Tani(1964)。更近[4][12]期的研究包

8、括Mueller(1988)和McGhee(1988)也測量到了層流分離泡的不穩(wěn)定情況。在分離泡的上游部分,剪切層開始穩(wěn)定地離開壁面,但在試驗時均化觀測到的再附點附近,剪切層是不穩(wěn)定的。同時再附點的位置也是不穩(wěn)定的。表明層流分離泡現(xiàn)象實際是一個不穩(wěn)定的分離現(xiàn)象。盡管在不穩(wěn)定的邊界層區(qū)域可以測量到低頻的速度脈動,這種不穩(wěn)定的流[9,13]圖1Horton[10]二維層流分離泡模型動現(xiàn)象還是常常被解釋成為是由于湍流造成的。[5]Fig.1Horton22Dlaminarseparationbubbl