低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov252015V01．36No．113557—3566ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．ca低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究康伟1’*，刘磊1，徐敏1，雷鹏飞2，张家忠21．西北工业大学航天学院，西安7100722．西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049摘要：采用计算流体力学(CFD)方法研究低雷诺数下翼面局部振动对翼型气动特性及其流动特征的影响规律。建立局部振动激励的力

2、学模型，并采用任意拉格朗日一欧拉坐标系下的特征线有限元(ALE—CBS)方法对局部振动激励下翼型绕流问题进行模拟，分析局部振动对非定常流动演化的影响规律，揭示其增升机理。研究结果表明：翼面局部变形的增加会有效降低翼型上表面的前缘压力；非定常流动分离中旋涡之间的距离及其演化频率与振动频率的关系是影响翼型翼面局部振动增升效果的重要因素。当流场主频率与振动频率相同，次要频率为主频率的2倍，即发生锁频时，翼面振动产生的移动分离泡能够使分离区从主流获取更多的能量，使翼型上表面保持较低的压力，有效提高翼型升力。关键词：低雷诺数流动；局部振动；锁频；流动分离；增升

3、中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)11-3557—10微型飞行器(MicroAirVehicle，MAV)由于在军事和民用领域具有重要且广泛的应用前景而成为国内外研究的热点[1。2]。由于微型飞行器的特征速度和尺度远小于常规飞行器，在低雷诺数下，空气黏性效应显著。机翼绕流边界层会发生流动分离，导致机翼升阻比急剧下降、抗风稳定性差等问题[31]。因此，研究低雷诺数下流动控制方法，以提高微型飞行器的气动升／阻比以及各种气动环境下的抗干扰稳定性成为影响微型飞行器实用化的关键技术问题。早期的流动控制技术研究集中在前

4、缘缝翼、后缘襟翼、吹吸气(射流)以及声激励等方面¨o。但是在实际应用中，这些控制技术主要针对常规飞行器，实现装置具有一定的复杂性，且难以满足低雷诺数飞行条件下实际流动控制需求。随着智能材料与大柔性结构的发展，借鉴生物飞行仿生原理的柔性翼自适应流动控制为解决微型飞行器的关键技术问题提供了新的途径[4’9。11]。柔性翼由大变形弹性薄壁材料制成，利用其自身与非定常流动的气动弹性耦合，自适应地改变几何形状与气动外形，优化流场结构，以期达到提高机翼气动性能与飞行稳定性的目的，是研发低雷诺数下高效飞行的智能微型飞行器的一个极具潜力的方向。在此基础上，文献[12

5、—15]提出了局部柔性翼面的自适应流动控制方法。在机翼的局部位置敷设由合适的大变形柔性材料或智能材料制成的弹性蒙皮替代刚性蒙皮，利用其在翼面局部与流体耦合产生的气动弹性振动，对非定常流动分离实施自适应流动控制，以期提高机翼的气动性能。研究结果表明弹性结构与非定常流场的耦合作用会对翼型的气动性能产生重要的影响。对于局部柔性翼面的自适应流动控制方法，结构的变形与收稿日期：2014．12—23：退修日期：2015—02—23；录用日期：2015—04—01；网络出版时间：2015—04—1516：35网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detai

6、l／111929V．201504151635001htmI基金项目：国家自然科学基金(11402212)；中央高校基本科研业务费专项资金(3102014JCQ01002)*通讯作者Tel：029—88494616E-mail：wkang@nwpu．edu．CR戮臻榕武IKangW“iuL．XuM．eta1．LiftenhancementmechanismforlocaloscillationofairfoilsurfaceatlowReynoldsnumber[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinice，2015，3

7、6(11)：3557-3566．康伟，列磊，徐敏，等．低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究[J]航空学报，2015。36(¨)：3557-3566航空学报Nov．252015VoI．36No．11振动是影响翼型气动性能的关键因素。但是，由于该气动弹性耦合系统的强非线性与复杂性，不便于深入分析结构振动对流场结构的影响。为了探索局部弹性翼面的流动控制机理，本文在文献E12—153的基础上，建立局部振动激励的力学模型，研究给定翼面局部振动对翼型气动特性的影响规律，比较不同局部变形的平衡位置与振动频率下的增升效果，并分析变形与振动频率对流场演化的影响规律。1局

8、部振动的力学模型在文献[-14，16]研究中，具有局部弹性结构的NACA0012翼型在雷诺数Re一5000、