低雷诺数下机翼气动特性研究及控制

作     者：左伟 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾蕴松

授予年度：2016年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：低雷诺数 层流分离泡 合成射流 主动流动控制 分离剪切层 转捩 

摘      要：高空长航时无人飞行器由于飞行环境空气稀薄、雷诺数低导致其气动性能恶化,如何通过流动控制改善机翼低雷诺数气动性能受到越来越多的关注。在低速风洞中通过天平测力、翼面测压和PIV流场测试、热线近壁流场动态信号分析等实验技术开展了NACA633-421直机翼模型气动特性实验和流动控制研究。天平测力结果表明,随雷诺数降低(Re1.4E5)机翼气动特性迅速恶化:最大升力系数损失严重,失速攻角急剧降低;分析翼面压力分布结果显示,机翼表面产生层流分离泡,其长度变化、位置前移和最终发生破裂的发展过程,是导致机翼低雷诺数气动性能恶化的主要原因。采用合成微射流对翼面层流分离泡进行流动控制,在Re=1.2E5状态下失速攻角推迟了11°,机翼最大升力系数由0.59提升至1.1,最大升阻比增加13.6%。合成微射流控制具有选频特性,驱动频率f=200～400Hz的合成微射流控制效果最佳,更易促进分离剪切层提前转捩,形成湍流再附,使得层流分离泡长度缩短。从控制前后分离剪切层的静态及动态特性角度入手,深入探究了合成射流控制层流分离泡的机制。结果表明,低雷诺数时自由剪切层与壁面分离后失稳,由层流转捩为湍流时卷起旋涡并开始大幅摆动,拍打至壁面后形成再附,其时均化结果与经典层流分离泡模型一致。控制后,剪切层贴壁小幅周期性受迫摆动,层流分离泡结构消失。其主要原因为接近剪切层不稳定频率的控制扰动易在剪切层被放大并对其“锁频,增强了剪切层能量,从而抑制了大尺度分离泡结构的形成。