不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

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1、航空学报Apr．252017V01．38No．4ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cnDO!：10．7527／S1000一6893．2016．0257不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化刘强，刘强*，白鹏，李锋中国航天空气动力技术研究院，北京100074摘要：低雷诺数下空气黏性效应突出，翼型表面普遍存在层流分离现象，相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求

2、解非定常可压缩Navier—Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术，对FX63—137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线，两种结果定性定量均吻合较好，证明了本文的研究方法有效可靠；雷诺数从500000降至20000，翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化，伴随阻力系数剧增和升力系数剧降，时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡，并最终演化为后缘层流分离泡，相应的两

3、种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异；对于阻力系数和升力系数而言，存在不同的临界雷诺数，因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增，而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小；非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落，才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时，流线在后缘附近再附，升力系数达到峰值；而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时，尾部流线大尺度分离，升力系数降至谷值。关键词：低雷诺数；气动特性；长层流分离泡；后缘层流分离泡；非定常中图分

4、类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—120338—13雷诺数Re是飞行器飞行时十分重要的参数。常规飞行器飞行雷诺数一般在106量级或更高。而低速临近空间飞行器(如高空长航时太阳能无人机、平流层飞艇、升浮一体飞行器)和微型飞行器，由于飞行环境大气密度低或本身尺寸小、速度低，其飞行环境雷诺数较低，在104～105量级左右。近年来随着这两类飞行器的快速发展，飞行器低雷诺数下的气动问题逐渐引起了人们的广泛关注。翼型的空气动力学特性对飞行器的气动性能起到至关重要的作用。低雷诺数下由于空气黏性效应突出，翼型

5、气动特性与常规雷诺数显著不同，尤其当雷诺数低于200000时，气动特性主要表现在光滑翼型升阻比急剧下降[1]，小迎角下出现升力系数非线性效应[2{]，中到大迎角下出现静态滞回效应[4。5]，以及造成飞行器稳定性和操纵性困难等一系列问题，这些气动问题已经成为低速临近空间飞行器和微型飞行器开发研制的主要技术瓶颈之一。人们经过大量研究，普遍认为翼型的低雷诺数气动特性与层流分离现象密不可分。传统观点认为层流分离现象发生在低雷诺数流动环境中，层流边界层中流体不能克服逆压梯度而离开壁面，并在空中发生转捩变为湍流后再附到壁面上，收稿日期：2016—0

6、4—20；退修日期：2016—08—29；录用日期：2016-09-19；网络出版时间：2016—09—2116：36网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．201609211636002htmI基金项目：国家自然科学基金(11672282，91216116)；国家“973”计划(201408744100)*通讯作者．E—mail：tudou—tianyi@163．com引用格武t舟j强．翅强．白鸦．等．不商霍诺数下翼型气动特性及层漉分离现象演化!J]j航空学报．2017．38(4)：12033

7、8．uUQ．LIUQ，BAIP，eta1．AerodynamiccharacteristicsofairfoflandevolutionoflaminarseparationatdifferentReynoldsnumbers[JJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(4)：120338．120338．1航空学报形成稳定的层流分离泡结构[6]。另一种观点认为层流分离效应中起主导作用的是非定常大尺度层流分离涡，不存在稳定的层流分离泡结构，稳定层流分离泡是一系列大尺度周期性层流分离涡时均化的

8、结果，越来越多的研究结果支持这一观点[7_8]。深入研究翼型在低雷诺条件下广泛存在的层流分离现象及其相互作用机制，揭示其深层次的流动机理，不仅具有显著的科学意义，还有助于准确预测和评估翼型、机翼、螺旋桨在低