低雷诺数多段翼型地面效应数值仿真

陈建炜,姜 敏,陈道锦,卢鸣声,贺伟炜

(1.上海无线电设备研究所,上海 201109；2.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心,上海 201109；3.中国航天科技集团有限公司交通感知雷达技术研发中心,上海 201109)

0 引言

近年来随着微机电系统(MEMS)技术的发展,微型飞行器从想象走向了现实。微型飞行器的低雷诺数及非定常气动特性使其有别于常规飞行器,增加了其翼型设计的难度。高雷诺数条件下气动性能良好的翼型,在低雷诺数条件下气动性能会急剧恶化,将会出现层流分离现象,导致阻力系数激增、最大升阻比迅速下降,同时产生升力系数非线性效应和静态滞回效应。

多段翼型被广泛应用于大型飞机,能有效缩短飞机的起飞和降落距离,然而地面边界对多段翼型的气动特性影响较大。目前,针对高雷诺数下多段翼型地面效应的数值研究较多。朱一西等对多段翼型着陆、起飞过程中的非定常地面效应进行数值模拟,发现多段翼型升力随离地高度降低而降低。屈秋林等对NACA4412两段翼型进行数值模拟,发现地面效应对两段翼型的影响与单段翼型相似。刘江等采用有限体积法和SST湍流模型求解雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程,对带绕流板下偏的多段翼型地面效应进行了模拟,并解释了地面效应下升力系数减小的原因。秦绪国等采用有限体积法求解质量加权平均纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras(S-A)模型,研究了飞行迎角、后掠角及展弦比对机翼地面效应下气动特性的影响。

可以看出,现有研究主要针对单段翼型低雷诺数气动特性以及多段翼型高雷诺数地面效应开展,但对低雷诺数条件下多段翼型的地面效应研究较少。本文采用RANS方程结合Realizable湍流模型的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,对30P30N 多段翼型进行低雷诺数地面效应的数值研究,为多段翼型在微型飞行器中的应用提供参考。

1 数值研究方法

以30P30N 多段翼型为研究对象,其弦长=40 mm,翼型表面设置附面层网格,第一层为1 mm,增长率为1.2,在翼型周围流动剧烈处进行网格加密,其网格划分如图1所示。

图1 30P30N 多段翼型网格

采用商用流体力学仿真软件FLUENT 求解RANS方程,采用能够较好模拟翼型地面效应及尾流特性的Realizable湍流模型,压力-速度耦合求解采用simple 算法。边界条件设置为:入口采用速度入口,出口采用压力出口,地面采用移动壁面,顶部采用对称边界。设为翼型后缘到地面的距离,分别考察30P30N 多段翼型在/分别为0.10,0.25,1.00,10.00四种相对高度,迎角分别为0°,4°,8°,12°,16°,20°六种角度状态下的气动特性。

2 计算方法验证

以文献[20]中的NACA0012机翼为仿真对象进行算例验证,其地面效应计算值与试验值如图2所示。可以看出,不同迎角状态下,计算得到的机翼升力和阻力系数曲线与试验结果变化趋势较为吻合。可知数值计算方法可靠,适用于30P30N 多段翼型低雷诺数地面效应数值计算。

图2 NACA0012机翼地面效应计算值与试验值

3 计算结果及分析

3.1 离地高度影响分析

首先分析迎角=0°时,低雷诺数条件下离地高度对30P30N 多段翼型地面效应的影响。

低雷诺数条件下,离地高度分别为4,10,40,400 mm 的30P30N 多段翼型气动特性曲线如图3所示。

图3 30P30N 多段翼型气动特性随离地高度变化曲线(α=0°)

可以看出,同一高度下翼型升阻力系数及力矩系数(取翼型0.25倍弦长点为气动中心)随雷诺数变化的规律相似。总体上,离地高度越低,翼型升力系数及升阻比越大。雷诺数=1×10条件下,离地高度为4 mm 时的升力系数是离地高度400 mm 时的2.8倍。随着雷诺数的增加,离地高度为40 mm(/=1.00)时的翼型升力系数及升阻比呈先上升后下降的趋势,且上升幅度较大；而离地高度为4 mm(/=0.10)时的翼型各气动特性系数均呈下降趋势,下降趋势较小。说明离地高度较小时,地面效应对翼型的气动特性有较大的影响。

低雷诺数条件下不同离地高度的30P30N 多段翼型各部件升力系数变化曲线如图4所示。

图4 30P30N 多段翼型各部件升力系数随离地高度变化曲线(α=0°)

可以看出,翼型升力主要由尾部襟翼产生,约占60%；前缘缝翼产生负升力,且随着雷诺数的增大逐渐增大,降低了整体升力系数。

进一步对翼型流场进行分析。雷诺数=4×10,迎角=0°条件下,不同高度30P30N 多段翼型的流场如图5所示。

图5 不同高度30P30N 多段翼型流场图

可以看出,/=0.10时,气流流经前缘缝翼后,上行气流射入缝隙,受到下行气流的阻塞而在前缘缝翼与中部主翼的缝隙间形成两个旋向相反的涡环,这导致了前缘缝翼的升力减小,阻力增大。同时,中部主翼下翼面前缘发生气流分离,产生类似于层流分离泡的结构,导致了其升力较小。而在后缘襟翼后部区域存在一大一小旋向相反的涡环,这种现象主要由气流分离造成,并增大了翼型的压差阻力。随着离地高度的增加,翼型地面效应减弱,中部主翼下翼面气流分离加强,层流分离泡逐渐向后缘扩散。当/=10.00时,层流分离泡与中部主翼后缘涡环融合,形成了一个“哑铃”形气泡,该结构进一步削弱了中部主翼的升力性能,造成整体升力的下降。

3.2 迎角影响分析

雷诺数=4×10时,不同离地高度条件下,30P30N 多段翼型气动特性随迎角变化曲线如图6所示。可以看出,随着迎角的增大,翼型阻力系数及力矩系数上升较快,/=10时,迎角从0°上升到12°,其阻力系数增加了约2倍,而升力系数呈非线性上升趋势。总体上离地高度越低,升阻比越大,其失速迎角呈现先上升、后下降、再上升的趋势,总体上离地高度越低其失速迎角越大。

图6 30P30N 多段翼型气动特性随迎角变化曲线(Re=4×104)

雷诺数=4×10时,不同离地高度条件下,30P30N 多段翼型各部件升力系数随迎角变化曲线如图7所示。可以看出,前缘缝翼升力系数随着迎角的增大而逐渐转为正值,产生正升力,中部主翼升力系数随迎角变化趋势与30P30N 多段翼型整体变化规律相似,而尾部襟翼升力系数随迎角变化波动较大。

图7 30P30N 多段翼型各部件升力系数随迎角变化曲线(Re=4×104)

/=0.1,410时,30P30N 多段翼型不同迎角流场如图8所示。结合图5(a)可以看出,增大翼型迎角后,前缘缝翼后部涡环区减小,其升力逐渐由负转正；中部主翼下翼面不再出现气流分离,层流分离泡消失；当迎角超过一定角度后,中部主翼上翼面开始发生气流分离。迎角=8°时,上翼面为典型层流分离泡结构,覆盖整个上翼面表面；迎角=12°时,分离泡结构发生畸变,内部出现三个旋心,并且整体结构变大；迎角继续增大后,上翼面气流分离现象加剧,流动已变得杂乱无章,此时升力不再增大,开始出现翼型失速现象。尾部襟翼升力系数随迎角变化波动较大,这主要是由其后部双涡环结构的不规则变化造成的。双涡环结构的不规则变化主要由中部主翼上翼面分离泡结构,与中部主翼和尾部襟翼之间的缝隙射流的相互作用引起。

图8 30P30N 多段翼型不同迎角流场图(h/c=0.1,Re=4×104)

4 结论

本文采用RANS方程结合Realizable湍流模型的CFD 方法,对30P30N 多段翼型进行低雷诺数地面效应数值研究,得到以下结论:

a)迎角=0°时,受地面效应影响,总体上,30P30N 多段翼型离地高度越低,升力系数及升阻比越大,且最大升力由尾段襟翼提供；

b)小迎角状态时,30P30N 多段翼型的中部主翼下翼面发生气流分离,产生层流分离泡,且随着离地高度的增加而出现非典型“哑铃”形分离泡结构,增大迎角后下翼面气流分离现象消失而上翼面开始出现气流分离；

c)受地面效应影响,随着离地高度增加,30P30N 多段翼型失速迎角呈现先降后升再降的趋势,总体上离地高度越低其失速迎角越大。