微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析

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1、微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析宋书恒,朱国林,张树海(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳621000)摘要:采用虚拟压缩方法求解三维不可压缩N2S方程,数值模拟了无弯度、有弯度两类微型飞行器低雷诺数小展弦比薄翼的流场,将得到的结果与实验进行了对比,数据间吻合较好。然后在此基础上分析了小展弦比薄翼的气动力特性,详细研究了小展弦比薄翼流场中翼尖涡的涡态结构及形成规律,在对小展弦比薄翼流场尾迹区的翼尖涡采用近似模型的基础上,对尾迹区翼尖涡的强度进行了分析。结果表明,翼尖涡是影响小展弦比薄翼气动力和流动分离特性的一个重要因素。关键词:虚拟压

2、缩方法;微型飞行器;小展弦比薄翼;低雷诺数;翼尖涡中Ξ图分类号:V211.3文献标识码:A时由翼尖涡产生的诱导阻力相对较大,因此使得飞行器的气动性能恶化。Gad2el2Hak在其综述中1认为由于小展弦比机翼翼尖涡的存在,将使得小展弦比机翼的气动力特性与二维翼型相比有显著的不同。GabrielE.Torres2等对一系列的小展弦比矩形薄翼开展了低雷诺数范围内的实验研究,结果表明翼尖涡对小展弦比薄翼的流动分离和气动力特性有着非常重要的影响。DragosViieru3等通过数值模拟的方法对三种微型飞行器椭圆形小展弦比机翼的流场进行了研究,并通过在翼梢处附

3、加端板的方式来抑制翼尖涡的强度,从而考察翼尖涡对小展弦比机翼流场和气动力的影响。微型飞行器的设计需要对小展弦比机翼的气动力特性有一个非常好的理解,而低雷诺数小展弦比机翼的气动力研究仍然是一个新的领域,无论是实验或数值模拟方面,有关此项的研究均很少。本文将基于不可压缩Navier2Stokes方程,采用虚拟压缩方法对方程进行处理,通过数值模拟手段,针对小展弦比矩形薄翼的流场进行计算,分析了小展弦比薄翼的气动力特性,研究了小展弦比薄翼流场中翼尖涡的形成规律及其对机翼气动力和流动分离的影响。0引言微型飞行器(MicroAirVehicles)是近年来兴起

4、的一种新型飞行器,由于其具有体积小、重量轻的飞行平台优势,所以在军民两用方面具有十分广阔的应用前景。微型飞行器的研究和发展在世界范围内呈现高潮,而其相关的气动力研究是空气动力学研究的前沿之一。对于固定翼构型的微型飞行器而言,由于受特征尺寸的限制和起飞重量的要求,其气动布局往往是小展弦比和大机翼面积,且机翼厚度较小。而机翼又是飞行器的主要升力面,特别是对微型飞行器而言,它对飞行器的性能有着重要的影响。同样由于特征尺寸小,飞行速度低,微型飞行器的气动力问题属于低雷诺数的研究范畴,其气动力特性与常规飞行器相比有较大的差异,流动主要趋于层流特征,粘性效应显

5、著,边界层厚度与特征尺寸相比常常达到一个不可忽略的程度;流场稳定性差,易发生分离和再附,甚至在小攻角时常伴有流动分离的发生;由于展弦比较小,其流场具有强烈的三维特征,三维效应对机翼的升阻力特性有着较强的影响,突出地表现为翼尖涡可以明显地提供非线性升力,增大机翼的失速攻角;同时由于翼梢处翼尖涡的诱导作用,将会使气流产生下洗运动从而减小了有效攻角,在展弦比较小的情况下,此1控制方程和数值方法1.1主控方程收稿日期:2007205221;修订日期:2007208201.基金项目:国家“863”课题(2007AA04Z129).作者简介:宋书恒(19752

6、),男,博士研究生,计算流体力学专业.Ξ第3期宋书恒等:微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析311本文的控制方程是三维定常不可压缩N2S方程,利用虚拟压缩的思想,在连续性方程和动量方程中分别引入压力和速度对虚拟时间的导数项,然后变换至一般曲线坐标系下:发现,它们通常都具有较小的厚度比,鉴于此,本文两类机翼的厚度比均取1193%。所有机翼模型都有一个5∶1的半椭圆前缘和渐缩角为3°的尖尾缘。两类机翼模型的翼截面示意图分别如图1和图2所示。机翼的计算网格采用C-H型结构,并且在翼梢处沿展向向外延伸,因为是对称问题,所以选取半机翼模型进行计算,半

7、展弦比分别取为SAR=0.5、1.0、3.0。网格大小为139×41×41(弦向,法向,展向),远场延伸至15倍的弦长距离,网格距离壁面5×10-4,其中物面上分布101个网格点,沿物面展向的网格点数为31。基于此网格结构,所涉及的边界条件主要有:远场边界条件,入流速度给定为无穷远来流速度,压力从内场插值得到;出流压力给定为无穷远处来流的压力,速度从内场插值得到;或对远场边界统一采用特征边界条件4。物面边界条件为无滑移边界条件,物面压力由压力法向梯度为零得到。对称面采用对称边界条件。对于机翼尾缘割线边界,各个物理量采用上下两层对应变量代数平均得到。

8、5D^5τ=5(^55^(^^G^-G^Ev)Fv)()E--F--v5ξ5η5ζR^(1)=-上述方程中,τ为虚拟时间;