翼型厚度和弯度对前飞扑翼气动性能的影响

扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行方式的新型飞行器.翼型参数设计对提高扑翼飞行器性能至关重要,为研究扑翼翼型厚度和翼型弯度对前飞扑翼气动性能的影响,基于自然界中飞行生物的实验观测结果建立了前飞扑翼气动特性计算模型,针对不同厚度和弯度的NACA系列标准翼型,采用计算流体力学方法求解二维不可压缩非定常Navier-Stokes方程,基于有限体积法并结合动态网格技术,分析了低雷诺数条件下对应不同来流速度的刚性前飞扑翼气动力、能耗、气动效率以及周围流场结构随翼型厚度和弯度的变化规律.结果表明,不同来流速度条件下扑翼推力和能耗均随翼型厚度的增大而逐渐减小,随着翼型厚度的增大,扑翼推进效率最大降幅达15.9%;翼型厚度的增加,降低了前缘涡强度并延迟了前缘涡的脱落.翼型弯度可以改变翼型的有效气动攻角,翼型弯度的增加可以显著提高翼型升力和升举效率,并促使尾流中心线向右下方倾斜;正向弯度扑翼在下扑行程能产生更大的升力,而负向弯度扑翼则在上挥行程中产生了更大的推力.     

基于转捩模型的低雷诺数翼型优化设计研究

以微小型无人机翼型研究为背景,开展了低雷诺数翼型的气动特性及优化设计研究。首先采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下NACA0012翼型标模进行数值模拟,对比分析了SA、SST k-ω湍流模型、低雷诺数修正SST k-ω模型以及k-kL-ω转捩模型的适用性和准确性。然后通过对低雷诺数下NACA0012翼型表面流场结构和流动特征的详细分析,提出了基于控制流动转捩位置改善翼型上边界层形态的低雷诺数翼型设计思想。最终基于转捩模型对SD7037翼型进行了多目标优化设计,设计结果表明优化后翼型气动性能得到了较大改善,最大升阻比可以提高约58.23%,在0°迎角下翼型上表面层流区域面积增大约26.8%,在4°迎角下翼型上表面流动转捩位置前移约0.15倍弦长,下游流动亦由优化前完全分离状态改变为实现流动再附,进一步验证了低雷诺数翼型设计思路的可靠性与可行性。     

通用风力机翼型气动特性数值模拟

针对某翼型扰流流动,建立了二维可压缩湍流模型,利用商业软件FLUENT对翼型不同来流攻角下的气动特性进行了相应的数值模拟计算.湍流黏度采用基于RANS的Spalart-A llm aras湍流模型处理,得出了雷诺数在3.2×106时,某翼型的升力系数、阻力系数和压力分布随来流攻角的变化关系,并与同类翼型实验数据进行对比.结果显示:该翼型与修型前的翼型相比,具有较高的升力系数和升阻比,失速性能更好.     

小离地高度下翼型气动特性计算模型的研究

在地面效应影响下,翼型的气动性能会发生很大变化.研究过程中发现离地高度较小,翼型与地面的距离与壁面边界层厚度处于同一数量级时,使用高雷诺数湍流模型和标准壁面函数计算所得的升力系数会严重偏离实验值.通过改进湍流模型和壁面边界,即用低雷诺数湍流模型结合混合壁面边界的处理方法解决了以上问题.计算结果与实验值的比较说明, 该方法在离地高度较小时是十分有效和可靠的,而随着离地高度的增大,该方法的计算误差也将随之增大.所以在计算翼型的近地气动特性时,应先比较翼型表面与地面之间的间距和壁面边界层厚度,再确定采用相应的计算模型来提高计算的准确度.     

低雷诺数条件下湍流度及湍流梯度对翼型气动特性的影响

以分布式动力垂直起降(VTOL)飞行器起降时的复杂流场研究为背景,对低雷诺数条件下来流湍流度/湍流梯度对翼型的气动特性影响进行了研究。采用C型结构网格及■转捩模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程的方法,对NACA0012翼型在不同湍流度/雷诺数下的气动特性进行了研究,并与实验值进行对比,验证了计算方法的可靠性。研究了不同湍流度、雷诺数及湍流度梯度对翼型气动特性的影响,分析了其对翼型绕流转捩过程产生影响的机理。研究表明,处于较高湍流度或雷诺数的翼型绕流流动特征更加稳定,分离泡尺度更小,流动分离有所推迟,失速迎角更大,但是二者对转捩提前作用的机理不同;湍流度梯度对翼型的气动影响受到雷诺数及湍流度大小的限制,处于较高湍流度梯度的翼型绕流在流动分离、转捩及再附方面均得到了提前;层流分离泡的产生和演化与湍流度及雷诺数大小密切相关,其尺度与位置也影响着翼型的气动特性。     

时变风场中低雷诺数翼型气动特性研究

太阳能无人机普遍具有低雷诺数效应显著,对突风敏感的问题。以此为背景,采用网格速度法,对低雷诺数翼型FX63-137在低雷诺数下的阵风响应特性进行了研究。首先,通过与实验数据和参考文献对比,对低雷诺数下的数值模拟方法以及网格速度法进行了验证。接着对FX63-137翼型在不同雷诺数以及不同迎角下的阵风响应特性进行了数值模拟。研究结果表明:在小迎角情况下,随着雷诺数的减小,翼型表面分离泡变得饱满,翼型在阵风扰动下的升力系数增量减小,层流分离泡对阵风响应幅值具有卸载作用。在大迎角情况下,由于翼型进入失速区,升力系数增量在未达到阵风扰动最大值时就开始下降。并且在阵风扰动消失时,升力系数增量为负值。同时,在有效迎角相同的上行和下行时刻,翼型流场结构存在较大差异,翼型升力系数增量在上行时刻要大于下行时刻,形成一个不封闭的迟滞环。     

低马赫数通用飞机翼型压力分布设计特点研究

对低马赫数通用飞机气动设计中可能存在的问题进行了研究和总结，讨论分析了部分相关翼型的压力分布形态的设计特点，并通过多工况层流翼型设计实例验证了部分翼型设计理念。对低马赫数通用飞机气动设计存在零升阻力较大、失速性能要求较高、雷诺数变化范围较大等问题进行了讨论分析。为了解决这些问题，对若干低马赫数通用飞机的湍流翼型和层流翼型的压力分布形态进行了研究，提取部分对翼型气动性能有利的设计特点。以GAW-1翼型为基准，提取某型单发涡桨式轻型多用途通用飞机的典型设计工况，进行了考虑巡航、爬升和失速的多工况层流翼型优化设计。设计结果巡航升阻比提升了9.6,爬升升阻比提升了16.3,但失速最大升力系数减小了0.115。研究结果表明：考虑巡航、爬升和失速的多工况层流翼型设计需求较为矛盾，设计人员应基于低马赫数通用飞机构型特点仔细权衡和取舍。     

家燕翅展翼型的气动特性

对家燕滑翔时的后掠形姿态翅翼和完全展开形姿态翅翼进行了三维重构,获取了每种形态下4条不同展弦比的翼型。利用FULENT里的S-A模型对获取的翼型进行了气动特性模拟分析。结果表明:两种姿态下的翅翼最大升阻比攻角范围均在3°～5°,展弦比在35%处的翼型具有最优的气动特性。分析指出:后掠形姿态翅翼展弦比在35%处的翼型前缘半径较小,最大厚度位置靠近后缘且翼型线性曲率变化较慢,是产生较优气动特性的原因。     

二维串置翼型气动特性数值分析

采用基于雷诺时均法和k-ω湍流模型,对模型低速下粘性流场进行数值仿真.在不同迎角下,以前后翼总体升阻系数特性和升阻比为参数,对比了前后翼相对安装位置和安装角度两种因素对升阻特性的影响,初步得出其对升阻力特性影响的规律.结果表明,串置翼布局在选定的安装位置和安装角度下,相比于两段单翼升力最高提升37.2％;两翼夹角越大,升力曲线过渡越平缓;串置翼型气动载荷存在传递作用.     

风力机翼型转捩与失速特性的数值计算

针对三种NREL S系列风力机专用翼型,分别采用Xfoil和Fluent软件对流动转捩和失速特性进行了数值研究,得到了翼型升力系数与阻力系数随攻角变化关系,并将其与实验数据进行了比较。结果表明:数值计算结果与风洞实验数据吻合很好,表明数值计算在翼型二维气动性能计算方面有较高可信度。对于相对厚度大于0.15的翼型,在中低雷诺数下,通常会发生后缘分离,达到失速角时,升力系数缓慢减小。     

Numerical simulation of gurney flaps lift-enhancement on a low reynolds number airfoil

Two-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations with transition shear stress transport(SST) model were solved to investigate the effects of Gurney flaps on the aerodynamic performance of a low Reynolds number airfoil. This airfoil was designed for flight vehicles operating at 20 km altitude with freestream velocity of 25 m/s. The chord length(C) of this airfoil is 5 m and the corresponding Reynolds number is 7.76×10~5. Gurney flaps with the heights ranging from 0.25%C to3%C were investigated. It has been shown that Gurney flaps can enhance not only the prestall lift but also lift-to-drag ratio in a certain range of angles of attack. Specially, at cruise angle of attack(3°), Gurney flap with the height of 0.5%C.can increase lift-to-drag ratio and lift coefficient by 1.6% and 12.8%, respectively. Furthermore, the mechanisms of Gurney flaps to improve the aerodynamic performance were illustrated by analyzing the surface pressure distribution, streamlines and trailing-edge flow structure for this low Reynolds number airfoil. Specially, distinguished from some other numerical researches, the flow details such as the laminar separation bubble and transition phenomena for low Reynolds number airfoil with Gurney flaps were investigated and it was found that Gurney flaps can delay the transition onset position at small angles of attack(≤2°). However, with the increase of angles of attack, Gurney flaps will promote the boundary layer transition.     

Reynolds number dependence of flow past a shallow open cavity

Measurements were carried out in a shallow open cavity with particle image velocimetry technique. The cavity has a length- to-depth ratio of 4:1, and the upstream inflow conditions include laminar, transient, and turbulent regimes at seven different Reynolds numbers. The measured instantaneous velocities were analyzed through ensemble average, vortex extraction, and proper orthogonal decomposition (POD) to investigate overall flow circulations, Reynolds stress distribution, spanwise vortex population, and the characteristics of the POD modes. The results reveal distinctive Reynolds number dependence of the cavity flow, e.g. an increase in Reynolds number results in constant migration of the overall circulation, enhancement of Reynolds stress, reduction of correlation between vortex and Reynolds stress, and decrease of fractional energy of the characteristic POD modes. Finally, a phenomenological model was proposed to describe various features of cavity flow.     

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟研究

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低，其损失显著增大、效率显著降低。本研究的目的是应用实验分析与数值模拟相结合的方法，深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律，数值计算是基于Jameson中心差分格式和Runge-Kutta时间推进的方法求解N-S方程完成，实验是在西北工业大学低速涡轮平面叶栅实验风洞进行。研究表明，随着雷诺数降低，涡轮叶栅流动损失增大，当雷诺数小于40000之后，涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下，涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离，这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。     

Thermal partition of two asymmetric discrete heat sources by cold air curtain

A partition solution implemented by a cold air curtain for two asymmetric discrete heat sources in a two-dimensional rectangular enclosure was numerically studied. Main attentions were focused on the effects of Reynolds number, Grashof number, separation distance between heat sources, and buoyancy ratio. It is found that the airflow and heat transfer are not only determined by governing parameters, but also affected by boundary conditions. It is also found that nearly symmetry of flow structure corresponds to nearly thermal partition, and the symmetry can be enhanced when Reynolds number, separation distance and buoyancy ratio increase. In addition, it is observed that there is a minimum Reynolds number for obtaining nearly thermal partition, which increases when Grashof number increases. Foundation item: Project (50408019) supported by the National Natural Science Foundation of China     

基于等分法和迭代算法的磨料射流速度模型

针对前混合磨料射流磨料速度模型中存在的磨料受力考虑不全,无法体现磨料加速度、阻力系数以及雷诺数等关键参数的变化等问题,以固液两相流理论为基础,建立了磨料在高压管路、喷嘴内的速度模型,并基于等分法和迭代算法的数值求解方法,求解了磨料速度模型。计算结果与参考文献的平均百分比误差在5%之内,验证了该算法。同时利用该速度模型得到了磨料在高压管路和喷嘴内的速度、加速度、阻力系数以及雷诺数的变化规律：(1)高压管路内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大,最后无限接近于水的速度;磨料加速度和雷诺数随磨料运动距离的增加逐渐减小,最后会趋于零;而阻力系数则随磨料运动距离的增加逐渐增大。(2)喷嘴收敛段内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大;磨料加速度、阻力系数以及雷诺数随磨料运动距离的增加有一个先减小后增加的过程。(3)喷嘴直线段内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大;磨料的加速度、雷诺数和阻力系数随着磨料运动距离的增加逐渐减小。     

Effect of electromagnetic force on turbulent flow of molten metal in aluminum electrolysis cells

The standard κ-ε model was adopted to simulate the flow field of molten metal in three aluminum electrolysis cells with different anode risers. The Hartman number, Reynolds number and the turbulent Reynolds number of molten metal were calculated quantitatively. The turbulent Reynolds number is in the order of 10^3 , and Reynolds number is in the order of 104 if taking the depth of molten metal as the characteristic length. The results show that the molten metal flow is the turbulence of high Reynolds number, the turbulent Reynolds number is more appropriate than Reynolds number to be used to describe the turbulent characteristic of molten metal, and Hartman number displays very well that electromagnetic force inhibits turbulent motion of molten metal.     

不同雷诺数下空腔流的流动特性（研究生论坛）

利用PIV测量空腔中垂面流场,研究雷诺数对空腔流流动特性的影响。时均结构在不同雷诺数下都具有相似的主流区及回流旋涡区。涡量的最大值位于进口角点处,高值区集中在边界层分离区。紊动强度及雷诺应力的高值区位于主流与出口角点的冲撞处,随着雷诺数的增大,参数高值区沿流向的长度不断变大,而进口角区低值区的范围不断缩小。纵、垂向能谱特征参数在相同雷诺数下的空间分布规律基本一致;调整雷诺数将导致回流区的掺混范围及来流自身的紊动特性发生改变,从而影响空腔流能谱的空间分布规律。     

基于格子Boltzmann方法后台阶流动特性的研究

格子玻尔兹曼方法（LBM）是近几十年来发展的一种介观尺度的数值模拟方法,具有良好的处理复杂边界的能力和并行计算能力。利用LBM对后台阶流动进行了数值模拟,得到了不同雷诺数下后台阶流动的特性。研究结果表明,在低雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而变大;在高雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而增加,增长幅度逐渐降低,当Re=8 000时,再附着点与分离点之间的距离趋于稳定,并达到峰值;随着雷诺数的继续增大,这个距离开始减小,最终趋于一个定值。对于高雷诺数下的后台阶流动,采用LES⁃LBM的方法进行模拟,与前人的实验数据吻合得很好,表明LBM⁃LES模型对高雷诺数后台阶流动进行模拟具有较高的精确性。     

单管塔塔头模型风洞试验

为研究单管塔塔头关键参数变化对所受风荷载及其变化规律的影响,基于高频测力天平技术,在均匀流场中对大比例单管塔塔头模型(双轮式)进行了风洞试验.试验主要研究了塔身直径、天线尺寸、外挑距离等参数对阻力系数的影响,阻力系数在高雷诺数区间内的变化规律以及外部天线对塔头整体阻力的贡献.试验结果表明:整体模型阻力系数对雷诺数变化不...