双翼布局低雷诺数气动干扰效应.pdf
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1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*双翼布局低雷诺数气动干扰效应薛榕融1,2,张庆3(1.中国科学院光电技术研究所,6 1 0 2 0 9,成都;2.中国科学院光束控制重点实验室,6 1 0 2 0 9,成都;3.北京中航智科技有限公司,1 0 0 1 7 6,北京)摘要:为了进一步探索双翼布局总体气动特性随两翼之间相对几何位置的变化规律,在前期风洞实验的基础上,以具有较大厚度的NA C A 0 0 3 0
2、翼型为基准模型,设计了一系列具有不同几何特征的双翼布局。随后,基于混合网格和雷诺平均N a v i e r-S t o k e s方程,采用自主发展的流场求解器对这些双翼布局开展了非定常数值模拟工作,详细地探索了低雷诺数R e=1.2 01 05流动情况下双翼之间的弦向相对位置、法向相对位置对双翼布局流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。分析结果表明,双翼之间距离越近,气动干扰效应越显著。当弦向相对距离小于1.2、法向相对距离小于0.8时,双翼之间气动干扰效应较明显。相对于弦向距离,法向位置对气动特性的影响更为显著。通过设计合理的相对几何位置,相对于单翼布局,双翼布局的总体气动效率可提高5 0
3、%,因此双翼布局可以作为未来低雷诺数飞行器的气动设计选择方案。关键词:双翼布局;气动干扰;低雷诺数流动;流动分离;增升效应中图分类号:V 2 1 1.4 1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 4 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 3 4-1 2C o m p u t a t i o n a l I n v e s t i g a t i o n so fA e r o d y n a m i c I n t e r a c t i o no fT a n d e mC o n f i
4、 g u r a t i o n sa tL o wR e y n o l d sN u m b e rXU ER o n g r o n g1,2,Z HANGQ i n g3(1.I n s t i t u t eo fO p t i c sa n dE l e c t r o n i c s,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,C h e n g d u6 1 0 2 0 9,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fO p t i c a lE n g i n e e r i n g,C h i
5、n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,C h e n g d u6 1 0 2 0 9,C h i n a;3.B e i j i n gZ h o n g h a n g z h iT e c h n o l o g yC o.,L t d.,B e i j i n g1 0 0 1 7 6,C h i n a)A b s t r a c t:D u et ot h es t r o n ga e r o d y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w oa i r f o i l s,t
6、 h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t a n d e mc o n f i g u r a t i o ni so b v i o u s l yd i f f e r e n t f r o ms i n g l ea i r f o i la t l o w R e y n o l d sn u m b e r.T of u r t h e re x p l o r et h ea e r o d y n a m i cf e a t u r e so ft a n d e mc o n f i g u r
7、a t i o n sw i t hr e s p e c tt ot h er e l a t i v eg e o m e t r i cp o s i t i o n s,o na c c o u n to ft h ep r e l i m i n a r i l yc o n d u c t e dw i n dt u n n e le x p e r i-m e n t s,u n s t e a d yc o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o n so nag r o u po f t a n d e mc o n f i g u r
8、 a t i o n s f r o mNA C A 0 0 3 0h a v eb e e nc a r r i e do u tu s i n gt h e i n-h o u s ec o d e sb a s e do nh y b r i dg r i da n dR e y n o l d sa v e r a g e dN a v i-e r-S t o k e se q u a t i o n s,a n d t h ee f f e c t so f s p a c i n ga n ds t a g g e ro ng e n e r a l a e r o d y n a
9、 m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dv o r t e xs t r u c t u r ei nf l o wf i e l dw e r ec o m p a r e da n dp r e s e n t e dq u a n t i t a t i v e l yi nl o w R e y n o l d sn u m b e r r e g i m e(R e=1.21 05).T h e f i n a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tw h e nt h er e l a t i
10、 v ec h o r d w i s ed i s t a n c e i s l e s s t h a n1.2a n dt h e r e l a t i v en o r m a l d i s t a n c e i s l e s s t h a n0.8,t h ea e r o d y n a m i c i n t e r-f e r e n c ee f f e c to f t h e t w oa i r f o i l s i sm o r es i g n i f i c a n t.A n dt h ec l o s e r t h ed i s t a n c
11、 eb e t w e e nt h e t w o*收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 2。作者简介:薛榕融(1 9 9 0),男,助理研究员;张庆(通信作者),男,博士,主任设计师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 1 7 5 2 4 3,1 2 2 0 2 3 3 1)。网络出版时间:2 0 2 3-0 5-0 8 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 5 0 6.1 3 5 6.0 0 4.h t m l 第8期薛榕融,等:双翼布局低雷诺数气动干扰效应
12、 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n a i r f o i l s i s,t h em o r e s e v e r e t h e a e r o d y n a m i c i n t e r a c t i o ne f f e c t i s.C o m p a r i n gw i t h t h e s t a g g e r,t h es p a c i n ge f f e c t i sm o r e s i g n i f i c a n t.B yd e s i g n i n ga r e a s o n a b l e s p a
13、 c i n ga n ds t a g g e r,t h e a e r o d y n a m i ce f f i c i e n c yo f t a n d e mc o n f i g u r a t i o nc o u l db eg r e a t l y i n c r e a s e db y5 0%c o m p a r i n g t os i n g l e c o n f i g u-r a t i o n.T h e r e f o r e,t a n d e mc o n f i g u r a t i o nc a nb eu s e da s a na
14、e r o d y n a m i cd e s i g ns o l u t i o n f o r f u t u r em i c r oa e r i a l v e h i c l e i nl o wR e y n o l d sn u m b e r r e g i m e s.K e y w o r d s:t a n d e mc o n f i g u r a t i o n;a e r o d y n a m i c i n t e r a c t i o n;l o wR e y n o l d sn u m b e r f l o w;f l o ws e p-a r
15、 a t i o n;l i f t e n h a n c e m e n t 现有的民航客机一般具有左右对称的一对机翼,而在飞机诞生之初的4 0年里,制作材料多为木头和蒙布,这些材料的强度有限,限制了机翼的展向长度,为了产生足够的升力,所以早期飞机曾采用双翼机甚至多翼机,在机翼之间通过拉线增加结构强度1。后来,随着金属材料和发动机技术的进步以及对于提升飞行速度和减小飞行阻力的迫切需求,金属材料单翼机开始走向历史舞台。早期选用双翼甚至多翼的目的主要是为了提供足够的升力面积,虽然双翼、多翼之间的弦向相对位置比较接近,但是法向相对位置较远,并且由于飞行速度低,所以翼间气动干扰效应较弱,一般可忽略
16、不计。进入2 1世纪以来,充气式航空航天飞行器以其可折叠的优势引起了学者关注2-6,为了兼顾充气机构的承力特性,需要采用较厚的翼型来提高机翼的抗弯曲及抗扭转能力,但是较厚的翼型容易产生流动分离,气动效率较低。为此,笔者团队近年来针对充气式双翼布局开展了一系列研究7-1 0,包括风洞实验、数值模拟以及无人机飞行实验,初步研究结果证实,如果能充分利用近距耦合双翼之间的有利气动干扰,相对于单翼布局,双翼布局的总体气动效率可以得到显著提升。现有研究结果表明,双翼布局通过利用双翼之间的有利气动干扰以提高总体升力。但是,由于低雷诺数来流条件下两翼之间强烈的气动干扰现象,双翼布局的气动特性对翼型几何形状、来
17、流条件以及双翼的相对几何位置等参数十分敏感1 1-1 2。虽然国内外的部分研究机构对双翼布局的气动特性进行过风洞实验研究1 3-1 4以及数值模拟研究1 5-1 8,但是由于所研究的样本数量和流动条件有限,没有形成系统性的规律,难以直接指导双翼布局的工程应用。为了深入探索双翼布局的气动特性与相对几何位置之间的关系,本文以较厚的翼型NA C A 0 0 3 0为基础,设计了一系列具有不同相对位置的双翼布局模型,随后在前期风洞实验的基础上开展了非定常数值模拟研究,详细地探究了低雷诺数情况下双翼之间的弦向、法向相对位置对总体气动特性以及流场结构的影响规律。在当前大力发展低雷诺数新型飞行器的背景下,本
18、文的探索性研究可为未来充气式双翼布局飞行器的设计和制造提供一定的理论基础和技术支撑。图1 双翼布局几何参数定义F i g.1 G e o m e t r i cp a r a m e t e r s f o r t a n d e mc o n f i g u r a t i o n1 几何模型、计算方法及算例验证前期对7组双翼布局模型进行过双翼布局风洞实验研究7-8,但是由于实验设备的限制,实验仅仅测量了宏观的气动力和力矩,没有观测到涡流干扰细节,而且7组模型的弦向、法向位置凭经验设计,样本数据有限,因此实验结果不能充分说明双翼之间气动干扰现象随几何特征的变化规律。为此,本文基于较厚的NA
19、C A 0 0 3 0翼型,设计了一系列具有不同弦向、法向相对位置的排式双翼布局模型,随后对这些模型的气动特性开展了数值模拟研究,以探索双翼布局的气动干扰效应随几何相对位置的变化规律。为了尽量简化研究的难度,没有考虑展向流动,将研究对象固定为二维模型。图1是所用双翼模型几何参数的定义,两个翼型的弦长方向均与x轴平行,前翼的前缘点与坐标原点重合,后翼前缘点相对于前翼前缘点的坐标位置,s表示弦向距离,g表示法向距离。两个翼型弦长C均为0.1m,每个翼型的升力、阻力系数的参考面积为0.1m2,整体升力、阻力系数为两个翼型的平均值,自由来流风速V为2 0m/s,温度为2 7.5,压力为9 5.1 9
20、k P a,迎角53西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 变化范围为0 2 0,计算间隔为2,基于单翼弦长的雷诺数为1.21 05。本文数值模拟的重点在于验证程序对低雷诺数流动的气动力以及对双翼之间气动干扰流动细节结构的捕捉能力,选择课题组自主开发的柔性多体动力学 问 题 求 解 程 序F2M作 为 本 文 的 流 场 模 拟 工具1 9-2 1,所有计算工作在新加坡南洋理工大学高性能计算中心G e k k o集群上完成。其中,流场求解部分采用基于S A湍流模型的有限体积法2 2-2 3,计算网格采用混合网格2 4,包括附
21、面层内的四边形单元以及其他区域内采用阵面推进法生成的三角形单元,不同区域的网格分布如图2所示,远场为圆形,半径为2 5C,附面层第一层高度为11 0-5m(y+=1),增长率为1.1 2,总层数为4 1。由于参考时间尺度=C/V=0.0 0 5 s,所以非定常计算的时间步长取0.0 2=0.0 0 0 1 s,内迭代次数为4 0,总时间为2 0 0 0步。(a)远场(b)物面图2 不同位置的网格分布F i g.2C o m p u t a t i o n a l g r i dd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tp o s i t i o n
22、s在雷诺数为1 05时,翼型绕流存在典型的层流分离泡流动现象,为了验证本文计算方法的可靠性,采用F2M计算了NA C A 0 0 3 0单翼和双翼在雷诺数为1.21 05、迎角为0 1 4 时的定常升力系数,并与文献7 中的实验结果进行了对比,结果如图3所示。由图3可知,在计算的迎角范围内,数值模拟和实验结果在绝大部分位置吻合得很好。图3中升力系数的计算值和实验值在迎角超过1 0 后有明显差别,这是因为实验过程中迎角的变化量为2,而计算时迎角变化量取为0.5,因此本文的计算方法和数值结果可用来模拟低雷诺数流动中的气动力和气动干扰现象。虽然本文的计算是非定常的,但是由于模型数量和计算状态较多,未
23、能关注涡流的发展和演化过程,仅仅从宏观的时间平均量来比较不同构型的总体气动特性,时间平均物理量由一个周期内的非定常结果进行平均计算得到。图3 NA C A 0 0 3 0翼型定常升力系数对比F i g.3C o m p a r i s o no f l i f t c o e f f i c i e n t s f o rN A C A0 0 3 0a i r f o i l2 数值模拟结果计算和分析2.1 法向位置效应为了定量考察双翼布局的气动特性随双翼之间法向 位 置 的 变 化 规 律,本 节 以 基 于 较 厚 翼 型NA C A 0 0 3 0的双翼布局为研究对象,以数值模拟结果为基
24、础,分析了一系列不同法向位置时双翼之间的气动干扰现象。为了简化问题,弦向相对位置固定为s=0,g为-0.4C-2C,双翼布局的特点是后翼刚好在前翼的正下方,两翼前缘点之间的法向距离为0.4C2C。不同模型总体气动特性的对比图如图4所示,图中升力系数和阻力系数由前后翼平均得到。由图4可知:在计算的迎角范围内,当法向距离小于1C时,双翼布局升力系数比NA C A 0 0 3 0单翼布局明显减小,g=-0.4C时,小迎角下升力甚至为负;当法向距离大于1C时,双翼布局升力系数相对于单翼布局略有减小,双翼之间法向距离越远,升力系数越接近单翼情况。63 第8期薛榕融,等:双翼布局低雷诺数气动干扰效应 h
25、t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 对于阻力系数来说,所有模型对应的变化趋势都是类似的,即小迎角时,阻力系数缓慢增加,迎角超过1 0 后,阻力系数迅速增加,但是双翼布局在大迎角时阻力系数的增长速度要小于单翼情况。此外,法向距离较大时(超过1C),小迎角时的阻力系数几乎重合,迎角超过1 0,双翼布局的阻力系数小于NA C A 0 0 3 0单翼,法向距离越大,双翼布局的平均阻力系数越接近单翼布局。对于法向距离最近(g=-0.4C)的情况,平均阻力系数在计算的迎角范围内均大于NA C A 0 0 3 0单翼情况,在小迎角情况下(迎角小于1 0)双翼布局的平均阻力系数超过
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