基于γ-Reθt转捩模型的低雷诺数翼型数值分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252016V01．37No．41114-1126ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．on基于?-Re口。转捩模型的低雷诺数翼型数值分析陈立立，郭正*国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073摘要：通过综合运用Michel转捩判据和7-Re。。转捩模型的方法实现对低雷诺数翼型的气动分析。首先通过Michel转捩判据和层流分离位置分别估算转捩动量厚度雷诺数，然后分别用Langtry和Tomac提出的经验

2、关系式计算转捩动量厚度雷诺数和转捩区长度，通过UDF(User—DefinedFunctions)将不同组的3个经验关联值写入Fluent软件对E387翼型(雷诺数为3×105)进行数值分析，并与试验值进行了对比。结果表明：基于Michel转捩判据比基于层流分离更能准确预测转捩位置，基于层流分离预测的转捩位置过于靠前，但是2种方法的气动力计算结果与试验值都比较吻合，Lan—gtry和Tomac的经验关系式计算结果之间差别不大，Tomac方法能够计算出分离泡，且与Selig油流试验吻合较好。关键词：低雷诺数；层流分离；Michel转捩判据；y-Re口。转捩模型；转捩预测；E387

3、翼型中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：i000—6893(2016)04—1114—13随着临近空间低速飞行器、新概念微小型无人机等飞行器的应用不断拓展，低雷诺数低速飞行器的气动问题越来越得到关注。低雷诺数下的翼型流动有着独特的现象，比如层流分离、分离泡以及转捩等。而这些现象又是影响低雷诺数翼型气动特性的主要因素，一般认为层流发生分离后，层流边界层离开物面即发生转捩，边界层从外部获得能量从而转变成湍流后再附，形成具有稳定结构的分离泡。翼型的层流分离也是诱发层流转捩的主要原因，层流分离泡的产生不但减小了升力系数同时也增加了阻力系数，层流区和湍流区在翼型表面的比例在同

4、一个量级，正确预测转捩位置和转捩区大小对气动力的正确计算至关重要。目前对于低雷诺数的流动结构、演化规律和流动机理认识不清，因此低雷诺数流动有着其固有的研究难点。低雷诺数翼型复杂层流分离研究始于Horton提出的层流分离泡模型[1]。分离泡模型的提出使研究人员对低雷诺数流动有了更加深入的认识。随后研究者采用数值模拟和风洞试验对其展开了大量研究。Selig和McGranahan[2]进行了大量的关于低雷诺数翼型低湍流度的风洞试验。Karasu等[3]研究了NACA2415翼型在不同攻角的层流分离泡发展特性和翼型的转捩过程，给出了不同攻角下分离泡的分离点、转捩点和再附点，研究表明随攻

5、角增加分离点向翼型前缘移动，攻角达到13。时开始失速。白鹏等[43采用数值模拟和水洞粒子图像测速(PIV)流动试验方法研究了SD8020翼型低雷诺数小攻角时的气动特性和流场结构的非线性非定常层流分离效应及演化规律。目前工程上对于低雷诺数流动的数值研究常采用雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方法进行流收稿日期：2015-06—04；退修日期：2015—09·20；录用日期：2015-10-14；网络出版时间：2015—10—2309：37网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V20151023．0937002hlml基金项目：国家

6、“863”计划*通讯作者Tel：0731·84573190E-mail：guozheng@nudt．edu．CR引用格武：陈立立，郭正基fy-Re9t转捩模型的低雷诺数翼型数值分析￡J]。航空学报．2016．37(4)：1114—1126CHENLL。GUOZ。Numericalanalys『sforlowReynoldsnumberairfoilbasedony-Re口ttransitionmode

7、【Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016。37(4)：{1{4—1126．陈立立，等：基于?'-Re。转捩模型的低雷诺数翼型数值分

8、析动模拟，主要是基于涡黏模型的湍流模型，比如一方程S—A模型，两方程的肛e模型和k-co模型等。然而以上湍流模型是将流动进行了全湍流计算，没有考虑转捩对气动性能的影响，使得阻力计算与试验值差别较大。为了能够准确预测转捩位置，提高计算准确性，工程中主要采用以下转捩预测方法：eN法、转捩经验公式法以及以湍流理论为基础的模式方法口]。基于线性稳定性理论的eN方法虽然能够预测低湍流度下二维翼型的自然转捩和分离流转捩，却难以处理Bypass转捩和推广到三维流动。通过选取合适的经验关系式能够处理自然转捩