微型飞行器低雷诺数 层流分离涡现象研究

1. 微型飞行器低雷诺数层流分离涡现象研究 白 鹏, 崔尔杰 航天空气动力技术研究院 2006年05月28日

2. 报告内容 • 1. 引言 • 2. 数值方法和计算网格生成 • 3. 翼型低雷诺数层流分离现象研究 • 4. 低雷诺数拍动翼气动问题研究 • 5. 有待进一步开展的工作

3. 1. 引言 • 何谓低雷诺数？ • 微型飞行器的雷诺数范围，102～105。

7. 前人研究成果－扑翼非定常效应 • Wagner效应； • Weis-Fogh效应（clap-and-fling）； • 延迟失速效应（delayed stall）； • Kramer效应（rotational forces）； • 尾迹捕获效应（wake capture）； • 附加质量效应（added mass）。

8. 2 数值方法和计算网格生成 • 控制方程：不可压N-S方程。引入人工可压缩关系。采用Rogers发展的双时间步方法求解非定常问题。 • 流通量离散格式：三阶Roe格式。 • 隐式格式： LGS

9. 边界条件 粘性流壁面边界条件由动量方程得到：

10. 动网格技术

11. 3 翼型低雷诺数层流分离现象研究 • 3.1 翼型低雷诺数层流分离泡数值研究； • 3.2 对称翼型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究； • 3.3 翼型上表面振荡对气动性能的影响； • 3.4 等速上仰翼型动态失速现象研究。

12. 3.1 翼型低雷诺数层流分离泡数值研究 Grid 2 Grid 3 等压线 等涡量线 C型网格，1）281×70，2）521×95，3）701×101。 其中1网格的法线方向距物面最小距离为：0.0002， 2和3网格为：0.0001， Re=100000，=4o

13. E387翼型=0o，4o，7o ，Re=6.104，1.105，2.106时均化结果与McGhee试验和Pauley计算结果比较 [p]为Pauley的计算结果。[exp]为McGhee的试验结果。 [err]为本文结果同试验结果的误差。

14. 升力系数和速度脉动随时间变化

15. 0.00P 0.59P 0.15P 0.73P 0.29P 0.88P 0.44P 1.00P Re＝60000，＝4o 一升力系数变化周期内等涡量线变化

16. Re＝60000，＝4o动画

17. 8个速度脉动周期时均等涡量线和流线，Re＝60000，＝4o8个速度脉动周期时均等涡量线和流线，Re＝60000，＝4o

18. 不同雷诺数的比较 Re＝200000，＝4o，8个速 度脉动周期时均等涡量线和流线 Re＝100000，＝4o，8个速 度脉动周期时均等涡量线和流线

19. 不同攻角的比较 Re＝1×105，＝0o，8个速 度脉动周期时均等涡量线和流线 Re＝1×105，＝7o，8个速 度脉动周期时均等涡量线和流线

20. 翼型低雷诺数层流分离泡小结 • 时均结果同Horton的层流分离泡模型吻合。 • 长层流分离泡是层流剪切层形成周期性层流分离涡，通过对并等复杂过程，不断沿流向脱落的非定常过程的时均化结果。 • 并不存在确定的长层流分离泡再附点。 • 雷诺数和攻角等因素对时均化长层流分离泡的形态有重要影响。

21. 低雷诺数翼型层流分离现象中，占主导作用的是层流剪切层的分离，层流分离涡的形成，对并，移动和脱落等一系列较大尺度旋涡结构的复杂作用过程。

22. 3.2 对称翼型低雷诺数小攻角升力系数非线性现象研究 1）181×60，2）281×71，3）401×91 Re=40000,网格1和网格2

23. SD8020翼型，=0o－12o，Re=4.104同Michael光滑翼型试验数据比较。SD8020翼型，=0o－12o，Re=4.104同Michael光滑翼型试验数据比较。 时均结果同试验结果比较 不同攻角非定常升力系数

24. 不同攻角流场结构比较 Re=40000

25. 有效外形变化效应 ≤2.5o翼型时均化 后缘层流分离泡模型图 ≥3.0o翼型时均化 长层流分离泡模型图

26. 流场结构的突变效应 层流边界层对外界参数变化较为敏感，流动结构较易产生明显的响应。攻角2.5o变化到≥3.0o后，较大尺度的脱落旋涡和小尺度的湍流旋涡都得到增强，此时层流附面层更容易从外流获得能量形成再附，后缘层流分离涡结构突然变化为传统的长层流分离泡，翼型由负弯度突然变成正弯度，必然造成攻角2.5o和3.0o之间升力系数快速变大和升力线斜率大于2。

27. Re=100000时均化结果

28. 对称翼型小攻角非线性现象研究小结 • 提出了内部结构和演化规律不同于经典层流分离泡模型的后缘层流分离泡模型。 • 该层流分离泡主涡结构弦向位置集中在上翼面后缘点，不随攻角改变。 • 后缘层流分离泡与经典层流分离泡模型之间的演化：有效外形变化效应和流场结构的突变效应。 • 雷诺数增加后缘层流分离泡减弱直至消失，相应非线性升力系数效应也消失。

29. 3.3 翼型上表面振荡对气动性能的影响 • 研究对象：翼型NACA4415 ＝9o；Re＝25000； 上表面振荡位置c＝10％－85％； 振幅A为最大厚度的3％和6％； 频率f＝2。

30. 振荡前后等涡量云图的变化 振幅A＝最大厚度的3％，频率f＝2

31. f＝2，振幅6％ f＝2，振幅3％

32. 3.4 等速上仰翼型动态失速现象研究 Re=4.8104，＋0＝0.2，＝40o Walker试验Grid：205×71 Grid：117×51 C型网格

33. Re=48000,＋0＝0.2,NACA0015等速拉起动画

34. NC0015翼型=0o－60o，Re=200，5000，48000， ＋0＝0.6，1.2，非定常升阻力系数

35. 4. 低雷诺数拍动翼气动问题研究 • 4.1 悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究 • 4.2 仿生拍动翼一种新拍动方式的高升力机制研究

36. 4.1 悬停飞昆虫拍动翼低雷诺数高升力气动机理研究 • 拍动和转动 • Downstroke/upstoke • Pronation/supination • 拍动面为水平平面 • 模态：超前/对称/滞后 • c,t, r,,up,down 拍动翼运动示意图

37. O-H型壁面正交网格。1、53×45×35；2、81×65×70；3、97×91×91。外边界距离15c,最小网格间距0.002c。 O-H型壁面正交网格。1、53×45×35；2、81×65×70；3、97×91×91。外边界距离15c,最小网格间距0.002c。 果蝇翼计算网格

38. 运动参数 • 根据Weis-Fogh，Vogel果蝇捆绑飞行试验和Dickinson动态比例模型得到： CLw=1.15,c＝8.42,t=0.1c,r=0.32c，＝160o，up＝down＝400，＝1000。相位差8％，计算雷诺数为147，非定常时间步长：=0.02。

39. 网格密度影响 Advanced Mode 计算结果同Dickinson试验比较

40. 不同运动模态计算结果比较 升力系数 阻力系数

41. 果蝇悬停飞高升力机理小结 • 挥动结束阶段挥动的快减速机制； • 挥动开始阶段挥动的快加速机制； • 挥动中间阶段等速等攻角延迟失速机制； • 等速挥动中攻角快速拉起机制。 • 平均阻力系数比平均升力系数大出许多。超前模态：1.66倍；对称模态：1.475倍；滞后模态：2.79倍。

42. 4.2 仿生拍动翼一种新拍动方式的高升力机制研究 • 仿生拍动翼研究目的：了解生物获得“特异功能”的机理，并使其造福人类。不是对生物构造，行为的完全照抄和简单模仿。 • 果蝇拍动方式广泛存在有其合理的原因：生物学，生理学，解剖学和生物进化，流体力学等。 缺点：1、拍动过程中进行大角度翻转不易实现，机械设计困难；2、拍动阻力系数远大于升力系数，造成拍动翼相当部分能耗用来克服阻力做功。

43. 新拍动方式的提出 • 提出依据：延迟失速机制、攻角快拉起机制。 果蝇翼拍动示意图 新拍动示意图

44. 拍动和转动角速度 • 果蝇翼拍动 up＝400，down＝1400； • 新拍动方式 up＝2200，down＝1400。 新拍动方式 果蝇翼拍动方式

45. 前后缘对称修形新模型翼计算网格

47. 新拍动方式不同运动模态气动力系数 果蝇拍动方式不同运动模态气动力系数

48. 果蝇拍动方式和新拍动方式，不同拍动模态平均升阻力系数和升阻比果蝇拍动方式和新拍动方式，不同拍动模态平均升阻力系数和升阻比 注：(t=0.1c，r=0.32c)；阻力系数采用绝对值积分平均

49. 新拍动升力特性 • 半拍动中间阶段，延迟失速效应的高非定常气动升力平台依然保持，更平稳光滑。尤其滞后模态大为改善，受拍动两端加速和减速效应影响减弱。 • 第一气动升力峰值有所增加；拍动结束阶段由于转动方式不同，第二气动升力峰值消失。 • 与果蝇拍动模式相比，新拍动平均升力系数：超前模式：－20.8%，对称模式：＋5.3%，滞后模式：＋45.3%。极大提高了滞后模态的升力系数，不同模式间平均升力系数差距显著缩小。

50. 新拍动阻力特性 • 最大阻力系数峰值显著下降，降为果蝇拍动方式一半以下；第二峰值由于转动方式改变而消失。 • 阻力系数平台在对称模式下依然保持较长外，超前和滞后模态下都大为缩短。超前模式和滞后模式分别在拍动后部和前部由于攻角的减小出现低阻力系数区； • 新拍动方式同果蝇翼拍动方式比较最显著的变化是平均阻力系数大大降低：超前模式：－41.37%，对称模式：－36.6%，滞后模式：－41.9%。