基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

摘要

在涡不稳定性特征的影响下,翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动.为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理,采用体视粒子图像测速(SPIV)技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究.结果 表明:在1～6倍弦长的尾迹区内,翼尖涡存在摇摆现象,摇摆幅值随流向放大,且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征;在大迎角条件下,翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快.采用线性稳定性分析方法,定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程.结果 显示,在雷诺数2.1×105～3.5×105范围内,翼尖涡均处于临界稳定状态,扰动频率为3～5 Hz.基于线性稳定性分析结果,发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大,解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象.另外,由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性,从而诱导翼尖涡产生摇摆运动;速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡,而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动.这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制,其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率,而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征.