太阳能无人机低雷诺数翼型气动特性研究-论文.pdf

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1、2014年4月西北工业大学学报Apr．2014第32卷第2期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVo1．32No．2太阳能无人机低雷诺数翼型气动特性研究王科雷，周洲，甘文彪，许晓平(西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安710065)摘要：以高空低速太阳能无人机翼型研究为背景，对大弯度高升力翼型在一定雷诺数范围内的流动特性进行了研究。采用求解k．k1．W湍流模型的雷诺平均N-s方程有限体积法，对SD7037翼型进行了数值模拟，在排除网格效应影响的基础上

2、，针对较大范围内的低雷诺数复杂流动问题，验证了该湍流模型的适用性与准确性；针对翼型受力特性，分析了气动力随雷诺数变化的趋势；基于典型雷诺数下翼型绕流结构变化，研究了翼型产生高升力的流动特征；通过进一步研究升力非线性特征，揭示了较大迎角下翼型失速特征的流动机理。关键词：低雷诺数，气动性能，流动机理，非线性，失速，分离中图分类号：V211文献标志码：A文章编号：1000-2758(2014)02—0163-06近年来临近空间低速大展弦比太阳能无人机越围的流动特性，还需要采用更精细化的转捩模型来来越受到关注¨。j。由

3、于临近空间空气稀薄，飞行进一步开展详细的研究。器雷诺数较低，同时飞行器的大展弦比特征使机翼本文采用求解k—kl—W湍流模型的雷诺平均N—s三维效应相对较弱，翼型的二维气动力特性成为影方程，数值研究了某太阳能无人机前翼设计翼型在响飞行器性能的最主要因素。因此低雷诺数翼型的一定雷诺数范围内的气动力参数的变化趋势和流场设计与分析显得愈发重要。结构的变化情况。模拟了该翼型在大迎角条件下升不同于高雷诺数状态，低雷诺数条件下，流体流力的非线性特征，并分析研究了其流场结构和产生动常常处于层流状态，其抗拒逆压梯度的能力弱，容失

4、速现象的机理，以及提供高升力的原因。易产生分离、转捩等流动现象，从而对翼型气动陛能产生非常大的影响。大量实验表明，随着雷诺数的1数值研究方法降低，翼型的气动性能急剧下降。Lissaman3对低雷诺数翼型的概念、力学基础、实验研究和理论设计1．1湍流模型等方面进行了综述。DrelaDark_4描述了层流边界分离气泡是低雷诺数条件下翼型表面流动的重层分离的相关现象，并分析了不同设计参数对翼型要特征，其生成机理与流场的转捩特性有很大关系，气动特性的影响。白鹏等用数值方法对低雷诺采用转捩模型可以较好地捕捉这一流动特征。

5、数对称翼型绕流特征进行了研究。李建华等指本文采用Transitionk-kl。W湍流转捩模型，此模型包出了低雷诺数前缘层流分离和翼尖涡对小展弦比机含3个输运方程引：翼的气动特性起的决定性作用。尽管很多学者对低dk雷诺数流动进行了一系列的理论、实验和数值模拟Pkr+R枷NAr后rr+研究，但这些研究大都是基于小尺寸飞行器低空状态采用传统湍流模型进行的数值模拟，通常只针对+㈩某一典型雷诺数的流动进行细致分析。因此，对于dkLOk高空低速条件下大展弦比无人机翼型较大雷诺数范k-R-RNar-DL++云【__zL)J(

6、2)收稿日期：2013—04—23基金项目：西北工业大学基础研究基金(JCT20130110)资助作者简介：王科雷(1991一)，西北工业大学硕士研究生，主要从事飞行器设计及气动布局设计研究。西北工业大学学报第32卷可以看出y为1．0、0．5或0．1时的计算结果及警一()嚣c‰一趋势基本相同，网格疏密对于气动力计算影响很小。考虑到计算条件及耗费机时，选用第一层网格Y=Cto2o．)2口+刹dt、+／剖oAJ㈩0．5的网格结构进行接下来的分析计算。计算得到的SD7037翼型升阻力系数随攻角变1．2数值方法化曲线与

7、实验结果对比如图3所示，k．k1．W湍流本文采用Gridgen软件对设计翼型进行几何建模型及SA湍流模型数值模拟的6。迎角压力分布对模，计算网格为0型结构化网格，图1是最终计算比及表面摩擦力分布对比如图4、图5所示。网格的局部放大图。翼型的前、后缘处网格进行了局部加密，计算域的外场为90倍弦长。图1设计翼型计算网格图3气动力系数随攻角变化曲线数值求解采用二维雷诺平均N-s方程的有限体积方法；控制方程中对流通量项采用二阶精度Roe迎风格式离散；粘性通量项采用中心差分格式离散；时间离散采用隐式LU—SGS方法。1．

8、3数值验证本文以SD7037原始翼型作为验证算例，参考美国伊利诺伊大学(UIUC)低湍流亚声速风洞实验，选取雷诺数Re=3．0×10状态，攻角口=-6。～16。。为排除因网格条件造成的计算误差，首先进行图4压力对比图5表面摩擦力对比网格效应分析。分别构造第一层网格Y为5．0、1．0、0．5和0．1的4种网格结构进行验证计算，网由图3可以看出，k—kl—W湍流模型的计算结果格量呈倍数增加