超临界翼型低雷诺数流动分析及优化设计.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOcl．252015V01．36No．103275—3283ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000—6893．2014．0345超临界翼型低雷诺数流动分析及优化设计王科雷，周洲*，许晓平，甘文彪西北工业大学航空学院，西安710072摘要：以高空长航时无人机(UAV)翼型研究为背景，对超临界RAE2822翼型在高空高亚声速下的低雷诺数气动

2、特性进行了数值模拟及优化设计研究。采用求解雷诺平均N—s方程的有限体积法，对典型低雷诺数下RAE2822翼型绕流进行数值模拟，验证了SSTk-to湍流模型的可靠性和准确性；基于不同高度不同雷诺数下RAE2822翼型的计算气动力对比分析，研究了高度增大所带来的低雷诺数效应；通过对低雷诺数下超临界翼型表面流场结构及流动机理的详细分析．提出了一种弱化激波的翼型设计思想，并通过优化算例验证了该思想的可行性。关键词：高空长航时无人机；超临界翼型；低雷诺数；流场结构；流动机理；优化设计中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1000—689

3、3(2015)10—3275—09高空长航时无人机通常指飞行高度在18km以上，续航时间大于24h的无人机，其典型代表为美国的“全球鹰”。该类无人机可以在较长的时间内留空以进行空中侦察、空中监视等任务，成为侦察卫星和有人驾驶战略侦察机的补充和增强手段，在海湾战争之后，高空长航时无人机以其独特的优势倍受世界各国军方青睐。高空长航时无人机的气动特征直接关联于高空、长航时这几个字。由于高空飞行空气稀薄，飞行动压小，低雷诺数特征显著，从而导致有高升力问题；由于长航时飞行，不仅要求发动机耗油率低，机内储油空间大，而且要求巡航阻力小。因此，如何

4、设计此类无人机的专用翼型，对传统的设计方法提出了挑战。目前，关于高空跨声速低雷诺数下的翼型绕流结构及机理研究仍相对较少，但超临界翼型在跨声速下翼型表面容易产生激波，而在低雷诺数下翼型表面易于流动分离，二者相互影响显著Ll。2j。Drela[33使用ISES程序代码对某专用跨声速翼型的低雷诺数流动特征进行了研究总结，并对其流动机理及边界层结构进行了详细分析。Greer等¨1基于高空低雷诺数APEX飞行实验分析了某跨声速翼型的低雷诺数流场结构。杨青真和张仲寅¨o对超临界层流机翼三维层流一转捩一湍流混合边界层特性进行了研究，分析比较了高空

5、小雷诺数和中空大雷诺数下机翼三维边界层的气动特性。王科雷等¨o基于高空低速无人机低雷诺数翼型，通过分析翼型绕流流场结构变化及其流动机理，对高空低雷诺数效应及其缘由进行了较为细致的研究。由前人的工作可知，高空无人机飞行雷诺数低于300万[^。，低雷诺数效应和黏性对翼型或机翼气动力影响较大，在设计和分析过程中必须重视。Michael和James∽’对高升力低雷诺数翼型设计进行了理论及实验研究，并进一步分析了其气动特性及实际应用。张维智等Ⅲ提出了控制表面压力分布理想化的高升力低雷诺数收稿日期：2014-lO-10；退修日期：2014—11

6、-21；录用日期：2014—12—11；网络出版时间：2014．12—1713：54网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／S1000—6893．2014．0345．htmI基金项目：总装预研基金(513250101)*通讯作者．Tel．：029—88453368E-mail：zhouzhou@nwpueducrl引用罄武lWangKL·ZhouZ．XuxP，etalFlowcharacteristicsanalys『sandoptimizationdesignofsupercriticala／doffatl

7、owReynoldsnumber￡山．ActaAoronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(10)：3275-3283÷壬稃霍．蜀柏．许晓平．等．超临界翼型低雷诺教流动分析及优化设计!J]航空学报．2015。36(10)：3275-3283．航空学报Oct252015V01．36No10翼型设计思想，而乔志德[1o]提出了利用微弱激波增加顺压梯度的超临界翼型自然层流设计思想，且都进一步通过实验进行验证。黄江涛等[1”使用y—Re。。经验转捩模型[121配合神经网络代理模型进行翼型的正设计，王迅等口朝

8、则基于类别形状函数变换(Class-Shape—Transformation，CST)参数化方法结合转捩模型利用遗传算法对NLF0416翼型及RAE2822翼型进行了优化设计，均得到较好的结果。前人所进行的相关理论及实验研究均是针对超