旋成体表面沟槽减阻试验研究

陈 莹，陈迎春，黄 炜，胡仞与，姚开明，王福新

（1.上海飞机设计研究院，上海 200235；2.上海交通大学 航空航天学院，上海 200240）

0 引 言

民机减阻一直是飞机设计师关注的课题，降低阻力即可以带来可观的经济效益，又可以达到节能减排、保护环境的目的。据统计当飞机阻力减小1%时，直接运营成本可降低0.2%，油耗可节省1.6%～2%。

飞机减阻的技术手段有很多种，包括层流控制、采用激波控制装置、翼尖装置等手段进行减阻；上世纪70年代通过对石油管路湍流减阻的研究，NASA兰利研究中心发现顺流向的微小沟槽表面能有效地降低壁面摩阻，从而引发表面沟槽减阻技术的研究热潮［1］。最先开展的是沟槽平板湍流减阻的研究，并得出结论最佳的沟槽设计形式为对称的V型沟槽，且当其高度h和间距s的无量纲尺寸h＋≤25和s＋≤30时具有减阻特性［2－3］；随后沟槽减阻技术被广泛应用于翼型［4］以及全机试验［5－8］的研究中，并基本达成共识，沟槽的尺寸h＋＝8～15和s＋＝15时减阻效果最佳，可降低湍流摩擦阻力3%～8%。

目前国外的沟槽减阻技术已经进入到工程实用阶段，空中客车公司将A320试验机表面积的70%贴上沟槽薄膜，达到了节油1%～2%的效果。而我国对沟槽减阻技术的研究起步较晚，且研究工作主要集中在平板减阻方面，上世纪90年代曾进行了运七机翼、尾翼表面沟槽减阻试验研究，并得出结论当设计雷诺数与试验雷诺数比较接近时，机翼上粘贴减阻沟槽薄膜时取得了5%～8%的减阻效果［7］。近年来由美铝公司提出使用铝基沟槽蒙皮对民机机身进行减阻，而由于加工工艺等因素限制，铝基沟槽蒙皮的齿宽与齿高关系通常为s＝2h，这种情况下，沟槽蒙皮粘贴在机身上，减阻效益有多大仍需要进行试验验证。作者采用旋成体模型模拟简化机身，选择在旋成体等直段上粘贴铝基沟槽蒙皮的形式，进行沟槽蒙皮对机身阻力影响的试验研究。

1 试验设置

1.1 风洞及试验设备

试验在中国航空工业集团哈尔滨空气动力研究所的FL－9低速风洞进行，试验段尺寸为4.5m（宽）×3.5m（高）×10m（长），湍流度ε≤0.1%。试验中侧滑角β＝0°，迎角范围为－3°～9°，试验风速为30～70m／s，间隔10m／s，以旋成体最大直径为参考长度的试验Re数范围为0.266×106～0.93×106。

试验使用的是8T90－01内置杆式天平，其中阻力方向的最大载荷为120N，综合加载精度为0.6%。试验过程中由VXI数据采集系统采集记录数据。

1.2 试验模型

试验采用椭球头加等直段及整流尾段形式的旋成体模型，具体尺寸参数见图1。模型采用尾撑方式支撑，通过尾支杆与内式应变天平相连。试验中选用新型铝基沟槽蒙皮粘贴在模型的等直段上，顺气流方向布置，沟槽覆盖面积占模型总表面积的75.6%。

图1 模型外形图（单位：mm）Fig.1 Sketch of the model（unit：mm）

1.3 试验方法

表面沟槽仅能对湍流流动起到减阻效果，所以在椭球头部粘贴了锯齿状金属条带转捩带，并使用萘升华流动显示方法，确认了转捩带后方为湍流流动状态。为了提高试验精度，采取5次测量取平均的方式进行试验，文中数据都是平均后的结果。文中阻力系数CD选取模型的表面积S为参考面积。

2 沟槽参数选取

新型铝基沟槽蒙皮外形如图2所示，试验中保持沟槽参数θ＝60°不变，改变沟槽的高度h和宽度s。减阻效益与h和s的无量纲值h＋和s＋密切相关，h和s无量纲公式见公式（1）和（2）［2－3］。

式中：ν为动量粘性系数；u＊为剪切速度。

式中：Re＊为模型表面当地单位雷诺数；Cf＊为当地摩擦力系数。

依据上面的方法，近似使用宏观外流场的单位雷诺数ReL＝1和摩擦力系数Cf计算沟槽尺寸的无量纲值。Cf选用平板湍流边界层摩阻系数，见公式（5）。根据公式（1）、（2）、（3）和（4）可以推导出沟槽尺寸无量纲值h＋和s＋与ReL＝1之间的关系，见公式（6）和公式（7）。

试验取等直段长度为参考长度，x＝1300mm，根据上述公式以及风洞雷诺数条件，选择2种s＝2h和1种s＝1.5h的蒙皮进行试验，具体尺寸参数及其无量纲后的值见表1。

图2 模型表面沟槽示意图Fig.2 Sketch of riblet geometry

表1 沟槽蒙皮的尺寸及其无量纲值Table1 Riblet height and spacing

3 试验结果分析

图3（a）给出了风速为40m／s时模型基准状态（No Riblet）与带有不同尺寸沟槽时的阻力特性曲线对比。模型表面沟槽对阻力随迎角的变化规律没有影响，但阻力值发生较大的变化，使用粘贴有沟槽蒙皮的模型阻力CDR与光滑模型阻力CDS的比值表征沟槽对阻力量的影响，可以得到图3（b）、（c）和（d）三幅曲线。

图3 CDR／CDS随迎角的变化Fig.3 Variation of CDR／CDSwith angle of attack

试验结果显示，s＋越小相同迎角下的模型阻力越小；在s＋小于25时，沟槽可实现减阻；而当s＋大于25时，所有迎角下沟槽都会带来增阻效果，尤其是流动分离以后（α＞5°），由于沟槽齿的存在会加剧流动分离，使阻力明显增大，可达到10%～12%。3个尺寸的沟槽蒙皮中，Riblet1（h＝75μm，s＝150μm）的减阻效果最好，在h＋＝7、s＋＝14时最大减阻量为3.22%。试验中沟槽覆盖面积占模型表面积的75.6%，按摩擦阻力占总阻力的90%估算，可推算出沟槽表面具有减小4.5%摩擦阻力的作用。

试验中选用的沟槽尺寸关系是s＋＝2h＋和s＋＝1.5h＋，沟槽宽度的无量纲值大于高度的无量纲值。以Riblet1为例，在整个试验风速范围内h＋均小于15，但只有s＋小于25时沟槽才具有减阻效果，最大减阻量也是出现在s＋＝15附近。已有的文献结果表明减阻最佳效果是在h＋＝8～15和s＋＝15时［3］，由此说明减阻效果直接受限于宽度和高度两个参数中偏大的一个。

CDR／CDS随迎角表现为勺型变化，减阻量随迎角先增大后减小，s＋越小能够减阻的迎角范围越大，最大减阻量出现在α＝2°。模型迎角变化实际上是改变了气流与沟槽间的夹角，因为模型采用的是轴对称的旋成体，α＝2°和－2°理论上应该是完全相同的状态，可以认为沟槽方向与来流方向夹角小于3°时减阻能力最强。

图4 减阻量随沟槽宽度s＋的变化曲线Fig.4 Variation of drag reduction with s＋

图4给出了α＝0°和3°时，不同高度的Riblet带来的阻力变化量随s＋的变化曲线。其中Riblet2（h＝150μm，s＝225μm）和 Riblet3（h＝150μm，s＝300μm）两个沟槽高度相同，宽度不同，得到的ΔCD～s＋曲线基本上是交叠的，由此可以看出，采用的沟槽尺寸的无量纲公式（6）和（7）是合理的，沟槽减阻效果与其尺寸的无量纲参数密切相关。此外，由于s＋是Re数的函数，图4显示的规律即为减阻量随Re数的变化趋势，说明Re数不同时为实现减阻应采用不同尺寸的沟槽，而真实飞行中Re数变化范围很大，所以沟槽减阻技术仅适用于长航程飞行器，如民用飞机巡航阶段减阻。

4 结 论

使用文中公式（6）和公式（7）进行沟槽高度和宽度设计是合理的，并分析得出沟槽尺寸的无量纲值对阻力的影响如下：

（1）当沟槽尺寸的无量纲值h＋、s＋均小于25时，可以减小表面磨擦阻力；

（2）当s＋约为15、沟槽方向与来流方向夹角小于3°时，可得到最大约3%～4%的减阻量；

（3）在小迎角下减阻量随迎角变化先增大后减小；

（4）当h＋或s＋大于25时，铝基沟槽减阻材料会增大阻力，迎角越大增阻越明显。

［1］ 王晋军.沟槽面湍流减阻研究综述［J］.北京航空航天大学学报，1998，24（1）：31－34.

［2］ WALSH M J.Riblets as a viscous drag reduction technique［J］.AIAA Journal，1983，21（4）：485－486.

［3］ WALSH M J.Optimization and application of riblets for turbulent drag reduction［R］.AIAA－84－0347.

［4］ SUNDARAM S，VISWANATH P R，RUDRAKUMAR S.Viscous drag reduction reduction using riblets on a NACA 0012airfoil to moderate incidence［J］.AIAA Journal，1996，34（4）：676－682.

［5］ VISWANATH P R.Aircraft viscous drag reduction using riblets［J］.Progress in Aerospace Sciences，2002，38：571－600.

［6］ WALSH M J，SELLERS W L，McGINLEY C B.Riblet drag reduction at flight conditions［R］.AIAA 88－40764.

［7］ 李育斌，乔志德.运七飞机表面沟槽纹膜减阻的实验研究［J］.气动实验与测量控制，1995，9（3）：21－26.

［8］ RENEAUX J.Overview on drag reduction technologies for civil transport aircraft［C］.European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering，2004.

［9］ NEUMANN D，DINKELACKER A.Drag measurements on V－grooved surfaces on a body of revolution in axial flow［J］.Applied Scientific Research，1991，48（1）：105－114.