翼型低Re数小攻角非线性非定常层流分离现象研究

摘要

层流分离泡是低速低Re数流动的典型特征,存在强的非定常和非线性效应.其对翼型气动力特性带来的影响突出表现在三个方面:1、升力系数下降,阻力系数增加,升阻比快速下降;2、小攻角气动力系数非线性效应;3、中等到大攻角气动力非线性静态滞回效应.本文在作者针对E387和SD8020翼型层流分离效应开展数值模拟,并提出不同于经典层流分离泡的后缘层流分离泡的研究工作基础上,进一步采用非定常数值模拟和水洞PIV流动显示试验结合的方法,以SD8020翼型为对象,更深入细致的研究了翼型低Re数小攻角时均化及非定常的层流分离流动结构和压力系数分布的非线性流动特性和演化规律.数值模拟和水洞PW试验所获得的时均化和非定常流动结构吻合一致,验证了本文结果的正确性.主要结论简述如下:1、PIV试验验证了所谓低Re数长层流分离泡是一系列大尺度周期性脱落的层流分离涡的时均化结果,并不存在稳定的长层流分离泡;2、试验证明了低Re数对称翼型小攻角范围,确实存在不同于经典长层流分离泡(Long Laminar Separation Bubble)的时均化后缘层流分离泡(Trailing-edge Laminar Separation Bubble),两种层流分离泡的外部形态、内部结构和演化规律存在显著差异.本文详细刻画对比分析了两种层流分离泡的流动结构及其差异;3、数值模拟和水洞试验表明两种时均化层流分离泡(LLSB和TLSB)所对应的非定常分离涡结构和压力系数分布也存在显著差异.正是由于这两类层流分离涡结构之间的演化造成了对称翼型低Re数小攻角升力系数非线性;4、初步分析表明,TLSB对应的非定常分离涡结构在分离点附近基本保持稳定,类似死水区,直至后缘点附近出现类似于卡门涡街的非定常分离.LLSB对应的非定常分离流动则在分离点附近就表现出显著的非定常特征,生成一系列独立,并不断向下游发展、移动、对并、脱落的非定常层流分离涡.由此,造成这两种流动结构之间突变的机理和根源可能在于分离点附近分离区流场的失稳.