中等后掠角三角翼前缘双涡结构的形成机理数值研究

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1、２０１２年１２月ＡＣＴＡＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＡＳＩＮＩＣＡＤｅｃ．，２０１２欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟文章编号：０２５８－１８２５（２０１２）０６－０７６７－０５中等后掠角三角翼前缘双涡结构的形成机理数值研究刘杰１，２，刘沛清１，闫指江１（１．北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室，北京１００１９１；２．成都飞机设计研究所，四川成都６１００９１）摘要：采用数值计算的方法，对前缘后掠角为５０°的三角翼布局在不同迎角下的绕流结构及其演化进行了研究。在不同迎角下，计算的压力分布与实验结果吻合较好。对数值计算的流场结

2、构分析发现：对于中等后掠角三角翼，在一定的雷诺数和迎角下，在机翼翼面上会出现前缘双涡结构。其形成取决于三角翼前缘附近三维分离产生的自由剪切层强度和涡轴方向的速度分量之间的大小关系。一般而言，当涡轴的速度大到足以将剪切层涡量带走时，在机翼前缘常常会表现为单涡结构；反之将导致剪切层分叉，由此形成双涡结构。关键词：双涡结构；三角翼；旋涡流场中图分类号：Ｖ２１１．３文献标识码：Ａ引言０的方法，对机翼前缘后掠角为５０°的中等后掠角三角翼布局的流场进行了分析研究，以揭示５０°三角翼前缘双涡结构形成演变机理。在飞机布局中，三角翼布局是一种非常重要的布局。三角翼飞行器机动、灵活、结构简单，具有体积小、重

3、量轻、安全可靠等特点，它已经被许多研究［１－２］证实能够实现大迎角、超机动飞行和具有良好的过失速机动性能。三角翼上的流场十分复杂且具有强烈的旋涡流动的特性。现在许多研究［３－５］都发现对于中小后掠角三角翼，在特定的雷诺数和迎角下，在机翼前缘涡主涡外侧会形成一个新的集中涡，即形成双涡结构：鲁素芬［３］对５０°后掠角三角翼流动结构及气动特性的实验研究发现了三角翼前缘双涡结构的存在；ＧＵＲＳＵＬＩ［４］通过数值研究发现小后掠角的三角翼容易形成双涡结构，而细长三角翼不会产生双涡结构，其认为双涡结构产生的原因是边界层和主涡之间的相互作用；ＧＯＲＤＮＩＥＲＲａｙｍｏｎｄＥ和ＶＩＳＢＡＬ计算与实验方法

4、１计算模型及计算方法计算模型选用的是简化的三角翼布局。模型边缘均迎风面倒角４５°。图１给出了三角翼物理模型平面示意图。机翼的前缘后掠角Λ为５０°，根弦长为ｃ＝０．２５８６ｍ，机翼展长Ｌ＝０．４３４ｍ，机翼面积Ｓ＝０．０５６２５ｍ２，模型厚度为４ｍｍ。１．１［５］对后掠角平板三角翼在迎角等于５°时ＭｉｇｕｅｌＲ５０°的流动进行了数值模拟，结果表明在一定的雷诺数下，由于粘性作用的减弱，二次涡将一次涡分成了两个独立的集中涡，从而导致了双涡结构的形成。虽然现在许多研究都发现了机翼前缘双涡结构，但是双涡结构的机理目前尚无定论。因此本文利用数值计算图１模型平面示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａ

5、ｇｒａｍｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ数值计算采用的基本方程为不可压缩流动Ｒｅｙｎｏｌｄｓ平均Ｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ方程：＊收稿日期：２０１１－１０－２６；修订日期：２０１２－０６－２５基金项目：国家自然科学基金（１１０７２０１８）作者简介：刘杰（１９８６－），男，湖南怀化人，硕士研究生，主要从事旋涡分离流与流动控制方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｊｉｅ２００６１＠１６３．ｃｏｍｕｉ１ｐρｘｉｕｉ′′１ｔ＋ｘ（ｕｉｕｊ）＝－（μ－ｕｉｕｊ）（１）＋ｊｘｊｘｊρ湍流模型采用ＳＳＴｋ－ω模型。ＳＳＴｋ－ω模型考虑了低雷诺数和剪切流，同时加入了横向耗散导数项，在湍流粘度的定义中

6、考虑了湍流剪切应力的输运过程，适于进行带逆压梯度的流动计算、翼型计算等。由于在机翼前缘附近存在前缘涡、二次分离等复杂的流动分离现象，因此对该区域的网格进行了加密；在流场空间，由于模型近壁面的速度梯度比较大，所以在模型近壁面附近对网格进行了加密。图２给出了三角翼模型计算网格示意图。图４机翼上表面压力分布的对比曲线（α＝１６°）Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｗｉｎｇ（α＝１６°）计算值和实验值相符得很好，而当迎角进一步增大时，计算结果较实验值偏高。计算结果图５是计算得到的在不同迎角时

7、模型２０％根弦位置垂直流向截面的轴向涡量分布图，图６是不同迎角时模型空间流线分布情况。我们可以看到在迎角较小时，在机翼上表面只是形成了一个集中涡；而随着迎角的增加，在机翼前缘涡主涡外侧会形成一个新的集中涡，此时翼面上出现了两个集中涡（以后称靠近机翼翼根的集中涡为机翼前缘内涡，称靠近机翼前缘的集中涡为机翼前缘外涡），即出现机翼前缘双涡结构，相比内涡机翼前缘外涡的强度以及影响范围都要小一些；迎角进一步增大，前缘内涡的强度以及影响范围变得