低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252016V01．37No．41139-1147ISSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaaeduCR低雷诺数下机翼气动特性研究及控制左伟1，顾蕴松1’*，王奇特1，郑越洋1，刘源21．南京航空航天大学航空宇航学院，南京2100162．南京航空航天大学工程训练中心，南京210016摘要：高空长航时无人飞行器(HALEUAV)由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化，如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多

2、的关注。在低速风洞中通过测力、测压和边界层测试等试验技术开展了NACA633—421直机翼模型气动特性试验和流动控制研究。天平测力结果表明：随雷诺数降低(RP<1．4×105)机翼气动特性迅速恶化；最大升力系数损失严重，失速迎角急剧降低；分析翼面压力分布结果显示，机翼表面产生层流分离泡(LSB)，其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流(Micro—SJ)对翼面层流分离泡进行流动控制，失速迎角推迟了11。，机翼最大升力系数由0．59提升至1．10，最大升阻比增加了13．6％。合成微射流控制具有选频特性，驱动频率，一20

3、0～400Hz的合成微射流控制效果最佳，更易促进分离剪切层提前转捩，形成湍流再附，使得层流分离泡长度缩短。关键词：低雷诺数；层流分离泡；合成微射流；流动控制；控制频率；分离剪切层中图分类号：V211．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)04—1139—09经典的空气动力学设计准则更多针对的是高速大尺寸飞行器，其对机翼弦长的雷诺数普遍大于106。随着遥控无人飞行器(RemotelyPilotedVehicles，RPVS)、微型飞行器(MAVS)和风力机等广泛应用，低雷诺数(Re一104～105)下空气动力学问题受到越来越多的关注[1。2]。此外，喷气发动机的

4、压气机、涡扇叶片，临近空间低速飞行器以及轻型滑翔机机翼等表面的流动也常常在低雷诺数范围内[3。4]。翼型低雷诺数条件下会出现很多不同于常规飞行器雷诺数范围(RP>106)的典型流动结构及特征。气流遇到逆压梯度发生层流分离，由于K—H不稳定性分离剪切层发生转捩。在强湍流剪切应力作用下，主流能量被引入，使分离自由剪切层又获得足够的动量形成湍流再次附着壁面，产生层流分离泡[5。7]。低雷诺数接近临界雷诺数，流动状态具有不稳定性，对流动条件敏感，受环境扰动影响明显，给飞行器的操纵带来巨大的困难。Gaster[6]、Horton[71及Mueller等[8。12]对低雷诺数下机翼表面流动

5、的大量观察测量研究是研究层流分离泡问题的奠基性工作。近年来，有关低雷诺数下流体流动研究的一大热点问题就是分离泡内部及尾流中漩涡结构的观察与探究，包括分离泡几何尺寸变化过程中涡结构的变化，分离泡三维流动下漩涡结构及剪切涡频率、尾涡脱落频率与雷诺数等因数的关系等m。18I。国内方面，关键m]、吴望[20]等分别进行了低雷诺数下翼型表面不稳定流场结构的数值模拟与试验研究。收稿日期：2015．05．18：退修日期：2015．06．23；录用日期：2015-07-18；网络出版时间：2015-07·3009：42网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V

6、．20150730．0942基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者Tel：025—84896361E-mail：yunsonggu@nuaa．eduon戮用榕武：左伟．硬蕴松．I奇特．等．低雷诺数下机翼气动特性研究及控裁￡JI．航空学报．2016．37(4)：1139—1147．ZUOW．GUYS，WANGQT，etalAerodynamiccharacteristicsandflowcontrolonarectangularwingatlowReynoldsnumberEJJActaAero-nauticaetAstronauticaSinica，2016，37

7、(4)：，139一，147．航空学报Apr．252016V01．37No．4另一研究方向是针对低雷诺数下流动对飞行器带来的不利影响的流动控制。低雷诺数下出现的层流分离泡与来流的湍流度、环境中的扰动紧密相关E21

8、。Yarusevych等[18]通过试验得出结论：由于环境中小扰动的放大，发生层流分离后的剪切层形成卷起漩涡(Roll—upVortices)，最终的转捩状态与卷起漩涡直接相关。早期Mueller[12j即发现在机翼表面贴绊线有助于促进转捩，消除升力曲线上的“迟滞环”；Mitra和R