基于太阳能飞机应用的低雷诺数翼型研究

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaApr．252017V01．38No．4SSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．onDOI：10．7527／S1000—6893．2016．0213基于太阳能飞机应用的低雷诺数翼型研究刘晓春1’2，祝小平2，周洲1’2一，王科雷1’21．西北工业大学航空学院，西安7100722．西北工业大学无人机特种技术重点实验室，西安710065摘要：以太阳能飞机为背景，对低雷诺数翼型FX63-137进行了折线型建模以拟合

2、典型晶硅太阳能电池片对气动外形的影响，开展了气动数值模拟分析。首先引用“拟合优度”的定义描述本文折线型翼型轮廓与基准翼型(Baseline)的吻合度，并以此参数为变量建立5种折线型翼型模型；然后，采用计算流体力学(CFD)方法计算分析了不同雷诺数下各折线型翼型的气动特性，并着重研究了低雷诺数下折线型翼型的绕流机理；最后，基于工程应用实际的需求，提出了晶硅太阳能电池片的铺设方法也即折线型翼型设计思想准则，并进行算例验证。研究结果表明：低雷诺数条件下，折线型翼型升阻性能相比光滑翼型在一定程度上表现出了优势，但随着雷诺数的增加，升阻方面的优势逐渐消失；折线型翼型压力分布受

3、各折线段长度影响，前缘吸力峰值、压力平台范围以及压力恢复区分布特征是决定折线型翼型气动性能的主要因素；通过设计的算例验证了本文提出的折线型翼型设计思想的可行性。关键词：太阳能飞机；工程应用；折线型翼型；拟合优度；低雷诺数；气动性能中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—120459—11太阳能飞机具有高空超长航时的能力，在预警侦察、持久监视、数据中继等领域有着广阔的应用前景[】。2]。但太阳能飞机飞行高度高，速度低，飞行雷诺数低，如美国的“Helios”以及英国“Zephyr”[3。41太阳能飞机，飞行雷诺数均处在几十万量级，

4、低雷诺数问题[s。81十分突出。太阳能飞机不同于常规飞机，依靠太阳辐射为能源，需在机翼表面安装太阳能电池片。而为了不破坏机翼曲面外形，要求太阳能电池具有柔性[9]。目前，柔性太阳能电池效率低、价格昂贵，所以单晶硅电池依旧是太阳能飞机的主要选择。单晶硅电池一般以玻璃为衬底，所以不可弯曲。而为了达到赋形要求，一般采用小片单晶硅电池连成组件，近似成曲面，使得翼型上表面曲线型面变为多段折线型，对翼型气动特性也将造成影响[1⋯。因此，对低雷诺数条件下折线型翼型气动特性进行数值模拟研究具有较大的工程意义。目前，对于不规则形状翼型问题的研究多从仿生或工程问题演化而来。如NASAL

5、angley研究中心的Walsh[11。121发现顺流向的微小肋条表面结构能有效降低摩擦阻力，突破了表面越光滑阻力越小的传统思维；Choi等[13]对高尔夫球进行了实验研究，发现小凹坑能够诱发层流剪切层不稳定，使局部分离气流有足够的能量重新附着在球体表面，具有较强的克服逆压梯度的能力，分离推收稿El期：2016—05．20；退修日期：2016—06—27；录用Et期：2016—07·17；网络出版时间：2016—08—0110：37网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V201608011037004htmI基金项目：民机专

6、项(MIZ-2015-F一009)；陕西省科技统筹项目(2015KTCQ01—78)*通讯作者E-mail：zhouzhou@nwpu．edu．on引用撂武

7、胡晓春．祝小平．厕珊．等．基于太阳能飞机应用的低雷诺数翼型研究!∞．航空学报．2017．38(4)：120459．LIUXc．ZHUXP，ZHOUZ．etal．ResearchonlowReynoldsnumberairfoilsbasedonapplicationofsolar-poweredaircra髓如．ActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica，2017，38(4)?12

8、0459．航空学报迟，阻力减小；Beierle等¨4]针对翼型表面突起物对压力分布的影响进行了数值模拟研究，发现随着向突起物逼近，压力逐渐上升，到达突起物时达到峰值，类似驻点流动，而突起物后方突然膨胀，压力相应减小。在国内，方洪等n刀对风洞试验中翼面测压孔附近几种不同形式毛刺对压力分布的影响进行了分析；张骏等口6]对风力机叶片二维与三维表面粗糙度效应进行了数值模拟研究。但是，目前有关晶硅太阳能电池片实际工程应用带来的折线型翼型表面问题的研究仍较少，呼文韬[171粗略地考虑了太阳能飞机铺设太阳能电池对翼型气动性能的影响，但是假设了原翼型为最优翼型，仅仅考虑了电池布