翼型又称翼剖面,是构成飞行器机翼、舵面,以及螺旋桨和风力发电机叶片的基本单元。翼型的绕流特性决定着翼型的气动性能,进而直接影响到飞机、螺旋桨等的总体性能。翼型绕流实验包括定性流动显示和定量气动力及流场测量。小迎角时绕翼型流动以附着流为主,大迎角时绕流特征表现为上翼面出现流动分离。精细的流动显示实验可观测到边界层转捩、流动分离、再附等流动现象的细节信息,是分析流动机理的重要手段。定量气动力测量是得到工程设计所需的翼型气动参数的主要技术途径。翼型绕流实验主要服务于开发高性能翼型、发展增生减阻流动控制技术以及数值模拟方法的实验验证等。
翼型绕流实验
观测二维翼型绕流的流动现象及气动特性随迎角变化的实验。
- 英文名称
- experiments on airfoil flow
- 所属学科
- 力学
1902年,莱特兄弟在自己建造的风洞中对200多种不同弯度的翼型进行了初步测试,并对其中的38种进行了更详细的测量,发现弯度对升阻比的影响规律,设计出了升阻比更大的高性能机翼,为实现最终的载人可控飞行打下了坚实的基础。1904年,L.普朗特在自制水槽中做的一系列平板和翼型绕流实验发现近壁区边界层以及流动分离现象。边界层的发现和边界层理论的建立,是流体力学发展的里程碑,标志着流体力学进入了近代发展阶段。观察翼型绕流最有效的专门设备是烟风洞,早在1931年前就已出现,它在定性显示和研究物体绕流机理方面有独特优势,目前仍在使用。实验时,烟经由模型上游注烟耙的梳状烟管发出,随气流一起流过模型形成流线谱,用于观测绕二维翼段模型的流动。二维烟风洞的特点是实验段高宽比大,特别适合显示以翼型绕流为代表的二维流动。20世纪80年代发展起来的粒子成像测速(PIV)技术,大大提升了翼型绕流实验的定量测量能力。流动显示技术的发展使观测流动细节的能力以及获取定量信息的能力也在不断增强。此外,传统的测力和测压实验在获取工程设计所需的翼型气动性能参数方面也一直发挥着不可或缺的作用。
绕翼型流态包括边界层性态(层流/湍流)、转捩、流动分离/再附,及其发生位置等,都直接影响翼型气动力(水动力)性能。对这些流动现象的观测,是评估翼型性能的重要技术手段。
提供工程设计需要的翼型数据,直接为飞行器的机翼、螺旋桨和风力发电机叶片设计服务,也是发展新的高性能翼型所必需的。
为提高翼型气动性能,提高升阻比,流动控制是重要的技术途径。通过控制边界层转捩、流动分离等达到增升减阻的目的,如层流翼型控制、环量控制、多段翼增升装置等。
除了专门的烟风洞设备,绕翼型流动显示实验在常规风洞、水洞等都可以展开,如风洞中常用的烟迹法、水洞中常用的染色液法和氢气泡法等。与风洞相比,水洞实验有更好的流动显示效果。此外,表面流动显示技术,如传统的表面油流法、丝线法,以及后来发展起来的油膜干涉法、液晶涂层法和压敏漆/温敏漆方法等都可用于翼型绕流实验,获取边界层转捩、流动分离/再附以及激波等重要信息。
粒子成像测速(PIV)技术的发展大大提高了翼型绕流实验能力,可以直接得到翼型绕流的全流场速度矢量分布,进一步得到流线图、涡量场。PIV技术结合本征正交分解(POD)和动态模态分解(DMD)等分析方法,可以对流动分离和尾迹时空特性开展深入细致分析。
测力和测压方法尽管不能直接给出绕流图画,但可以直接得到工程所需的翼型的气动性能参数,包括升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数随迎角的变化曲线以及雷诺数影响等。
工程上采用的数值模拟方法目前还缺乏普适性的湍流模型,转捩预测、阻力计算的能力还远不能满足工程要求,发展精细化翼型绕流实验技术,准确测量转捩、流动分离/再附位置等信息显得尤为重要,这些实验结果亦可用于验证新的湍流模型。PIV技术的快速发展,时空分辨率的不断提高,基于速度场和流体力学基本方程求解压力场技术的发展,将为翼型绕流实验提供强有力的技术手段。新的高性能翼型的开发(如用于微小型无人飞行器的低雷诺数翼型)、翼型增生减阻流动控制新技术的探索,最终效果都要通过翼型绕流实验来验证。
扩展阅读
- BARLOW J B, RAE W H, POPE A.Low-speed wind tunnel testing, 3rd ed.New York:John Wiley and Sons Inc,1999.
- 范洁川,等.近代流动显示技术.北京:国防工业出版社,2002.