先进飞行器雷诺数效应若干研究进展及展望

雷诺数效应对先进飞行器气动特性预测至关重要,其影响着飞行器飞行性能、研制成本和安全。本文深入探讨了3个核心问题:首先,介绍了不同研究手段在探索雷诺数效应上的优势和局限,特别强调大型低温风洞是获取真实飞行雷诺数气动特性数据的有效途径;其次,详细分析了大飞机等先进飞行器在高雷诺数下呈现的复杂流动现象及其对气动特性的影响,如多段翼型的缝道流动、超临界翼型的激波/边界层干扰、飞行器的过失速机动特性以及飞翼布局飞行器的进气道性能等,并揭示了高雷诺数效应的非线性和复杂性;最后,探讨了修正雷诺数效应的方法,强调了融合风洞试验、数值计算和飞行试验数据的重要性,通过分析现有修正模型的适用范围和局限性,提出了发展更完善的修正模型和算法的建议。文章还对雷诺数效应的未来研究方向进行了研判和展望。

桥梁风工程研究中的雷诺数效应研究进展

桥梁风工程研究中的雷诺数效应问题是伴随着风洞试验方法产生的一个基础性问题,随着桥梁尺寸的增大其雷诺数也逐渐增大,风洞试验雷诺数和实桥梁雷诺数的差别对试验结果的影响越来越受重视。该研究阐述了雷诺数效应问题的由来,回顾了雷诺数效应研究的发展历程,总结了针对圆形断面、矩形断面、主梁断面等不同桥梁结构断面雷诺数效应问题的研究进展,包括结构周围流场、气动力、风致振动随雷诺数的变化,指出了桥梁风工程雷诺数效应研究中尚待解决的问题,为今后该领域的研究提供参考和建议。

CHN-T2标模跨声速抖振特性及雷诺数效应研究

新一代客机具有较高的巡航速度,跨声速抖振和雷诺数效应研究是其气动设计中的关键一环。采用基于k-ωSST湍流模型耦合延迟脱体涡模拟技术的高精度数值模拟方法,针对CHN-T2宽体客机气动标模开展了相关研究,并基于非定常计算明确了CHN-T2标模在巡航马赫数Ma=0.85、飞行雷诺数Re=5×10^(7)工况下的抖振始发迎角约为4.4°。结果表明,CHN-T2标模机翼在抖振超临界迎角下同时存在由激波弦向振荡主导的低频成分(St=0.0297)和由翼根尾缘复杂高压区主导的高频成分(St=0.314)。在雷诺数效应方面,从风洞实验雷诺数(Re=5×10^(6))到飞行雷诺数(Re=5×10^(7))巡航状态下,CHN-T2机翼激波位置后移约10%当地弦长,附面层高度降低1/2~1/10,进而引发升/阻力系数发生明显变化。升力系数和摩阻系数的雷诺数效应不随迎角改变,而压阻系数的雷诺数效应与迎角线性相关。同时,雷诺数变化会显著影响抖振非定常流场求解,过低的模拟雷诺数会导致激波振荡消失。

基于标度律的壁湍流运动分解与雷诺数效应

壁湍流广泛存在于自然界和工程中,对其深入研究和理解有助于发展新的计算模型和调控手段。湍流具有多尺度性,壁面带来的各向异性使得壁湍流多尺度运动更为复杂。本文探讨和总结了基于标度律的壁湍流运动分解方法:内–外分解方法和外区分解方法,其中内–外分解方法基于内区湍流运动的雷诺数无关性,而外区分解方法基于Townsend的附着涡标度律;讨论了分解后壁湍流运动统计特性的雷诺数效应,给出了内区湍流运动达到雷诺数无关和出现外区湍流运动的2个临界雷诺数。

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛,对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能,然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应,减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差,对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验,试验雷诺数范围为0.8×10^(5)~3.6×10^(5)。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律,并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明:不同于标准矩形断面,5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应,这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱,当圆角率为0.2时最强,其在雷诺数为2.8×10^(5)时发生了明显跳跃;不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比,圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显,其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右,圆角率为0.2时在跳跃前后分别在0.24和0.31附近,在其它圆角率时则随雷诺数的增加先增大后稳定。

不同圆角率的方形断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究

通过刚性模型测压风洞试验在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率为0.1、0.2、0.3和0.4的方形断面在不同风向角下、雷诺数Re=0.8×105~3.6×105范围内的表面风压。在获得气动力系数时程的基础上,通过分析升力系数功率谱在试验雷诺数范围内的变化,讨论了圆角率和风向角对斯特罗哈数雷诺数效应的影响规律。结果表明:在试验雷诺数范围内,各风向角下标准方形断面与圆角率为0.1的方形断面斯特罗哈数均基本不受雷诺数的影响;圆角率为0.2、0.3和0.4的方形断面斯特罗哈数分别在0°~2.5°、0°~7.5°和0°~12.5°的小风向角时对雷诺数比较敏感,出现了大幅突升现象,圆角率越大,对雷诺数敏感的风向角范围越大。

斜拉索雷诺数效应与风致振动的试验研究

干索驰振是近年来发现的斜拉索振动类型,由于振幅大、破坏严重,是设计中需要重点考虑的问题之一。通过三种不同粗糙程度的斜拉索模型测力风洞试验,得到了模型气动阻力和气动升力随雷诺数变化的曲线;通过测振风洞试验,得到了模型振动振幅随雷诺数变化的曲线。分析表明:在临界雷诺数区域,模型周围的流场不对称且不稳定,模型产生平均气动升力,不稳定的升力导致模型平衡位置的变动,同时引起模型发生大幅振动。随着斜拉索表面粗糙度的增大,临界雷诺数变小。对于表面光滑的斜拉索,由于临界雷诺数对应的风速很大,所以实桥发生这种振动的可能性较小。但是斜拉索在诸如风吹日晒、漂浮物黏着等环境下逐渐变得粗糙,导致临界雷诺数减小,使得在相对小的风速下斜拉索发生临界雷诺数区域的大幅振动成为可能。这是实桥斜拉索发生干索驰振的可能机理之一。

桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

在TJ- 2风洞中 ,测量了近 2个数量级的雷诺数范围内不同宽高比的 2类桥梁断面的三分力 ;研究了桥梁断面三分力系数雷诺数效应、宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响 .近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应 ;Π型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反 ,升力矩及升力系数雷诺数效应不明显 ;宽高比对三分力系数雷诺数效应有明显的影响 ;

雷诺数效应对小流量多级轴流压气机的性能影响

通过试验和数值模拟,对一台设计压比为6,效率0.84的小流量轴流压气机进行了雷诺数效应的分析和研究。介绍了这台压气机在设计转速下的性能曲线、不同雷诺数下折合转速n=0.85的试验结果,以及二维平面叶栅和三维数值模拟分析结果。试验和数值模拟的分析表明,随着雷诺数降低,会增加附面层厚度,改变压气机的三维流场结构,降低压气机的性能。根据折合转速n=0.85的试验和数值模拟分析结果,对这台压气机在折合转速n=1.0性能进行了雷诺数修正。

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。

粗糙度对雷诺数效应的影响

为了研究粗糙度对流线型桥梁断面雷诺数效应的影响,以及将表面粗糙度作为气动措施用于减小该类型桥梁断面雷诺数效应的可能性,利用风洞试验,在模型表面粘贴不同粒径的砂纸,改变模型表面粗糙度,测量了不同雷诺数下以及3种不同粗糙表面的流线型桥梁断面模型的三分力系数及表面压力。研究结果表明:流线型桥梁断面即使在较窄的雷诺数范围内也具有较明显的雷诺数效应;表面粗糙度对三分力系数的雷诺数效应具有一定的抑制作用。

压力积分法在桥梁断面雷诺数效应研究中的应用

表面压力积分方法不仅可以得到气动力均值，更重要的是可获得气动力的时程．从而可以计算气动力的RMS值和频率。通过该方法得到了刚性支撑断面的斯特罗哈数，并在试验雷诺数为2．7×10^4～1.4×10^4范围内研究了斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究中发现扁平桥梁断面的斯特罗哈数有明显的雷诺数效应，而雷诺数为2×10^5～4×10^5区域内这一效应尤为明显。

近流线型断面静力三分力系数的雷诺数效应识别

基于软件平台FLUENT6.3,选用标准k-ε湍流模型配合壁面函数法,采用边界层网格计算了近流线型断面雷诺数为1.38×106的三分力系数,并将数值计算结果与高雷诺数风洞试验结果进行了比较,从中选取对三分力系数识别较好的计算网格计算不同雷诺数的三分力系数。结果表明:基于FLUENT 6.3的标准k-ε湍流模型配合边界层网格,当近壁面网格控制合理时,能较好地识别近流线型断面雷诺数大于6.0×105的三分力系数;当雷诺数小于6.0×105时,数值模拟结果不甚理想。

准流线型桥梁断面涡激共振的雷诺数效应

为了研究准流线型桥梁断面涡激共振的雷诺数效应,通过改变模型尺度实现雷诺数的改变,并在模型表面布置测压点,进行风洞试验。测量了大、小2种模型风速与振幅的关系及各测点的风压时程,分析了振动频谱、扭矩系数时程及各测点脉动压力频谱随雷诺数的变化规律,揭示了扭转涡激振动的雷诺数效应。研究结果表明,脉动压力频谱的雷诺数效应引起了扭矩系数时程的雷诺数效应,从而引发振动频谱的雷诺数效应,最终导致了流线型桥梁断面扭转涡激振动的雷诺数效应。

双曲线圆截面建筑结构雷诺数效应模拟实践

在流线型结构气动性能风洞试验研究中,结构表面绕流特征雷诺数效应的准确模拟对于确定风荷载、评价其气动性能的影响是决定性的。通过改变模型表面粗糙度可以实现原型结构超高雷诺数条件(Re≥107)绕流效应模拟,但模拟手段及效果受人为经验因素影响较大,难于总结表面粗糙度与绕流形态变化关系,给实际模拟操作造成不便。设计两组双曲线圆截面结构模型风洞试验,通过在模型表面粘贴不同厚度粗糙纸带的办法,尝试并实现了模型超高雷诺数条件绕流特征模拟,分析了粗糙度及试验风速对模型表面绕流压力分布、截面阻力系数等参数的影响,初步总结了相对粗糙度随模型尺度的变化规律,为更好展开圆截面建筑结构气动性能研究提供了借鉴。

CFD方法研究桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

采用计算流体力学(CFD)方法计算与风荷载相关的物理量,应用FLUENT软件,对2种典型桥梁断面的三分力系数随雷诺数的变化进行数值模拟计算。建立了实际尺度的模型,选择了合理的网格划分形式,并分别使用3种不同的湍流模型,将数值计算结果与风洞试验结论进行了对比。结果表明:计算流体力学方法可以按照实际尺寸进行计算,以避免风洞试验只能进行缩尺试验的不足;且成本低、速度快、资料完备,具有模拟真实和理想条件的能力。

均匀流中悬臂圆柱体气动力雷诺数效应

通过风洞试验对均匀来流中长径比为5的悬臂圆柱体气动力进行了研究.试验中圆柱直径为200mm,来流风速为5-45m/s,对应的雷诺数为0.68×10^5-6.12×10^5,涵盖了亚临界、临界与超临界区间.研究表明,尽管悬臂圆柱处于均匀流中,但其气动力特性在不同高度上仍存在显著的差异,悬臂圆柱气动力也存在着明显的雷诺数效应.其从亚临界进入临界区所对应的临界雷诺数略大于二维圆柱.悬臂圆柱阻力系数在临界雷诺数范围内的减小幅度明显小于二维圆柱.在亚临界区内,悬臂圆柱阻力系数小于二维圆柱的对应值,而在超临界区则大于后者.尽管处于均匀流中,悬臂圆柱不同高度所对应的临界雷诺数并不相同,越接近自由端越早出现从亚临界向临界区的转变.

工程结构雷诺数效应的研究进展

工程结构的雷诺数效应一直是风工程界关注的重要基础问题.随着建筑高度的增加和桥梁跨径的增大,抗风研究要求更为精细化,因而在研究中考虑雷诺数效应就更显重要.为此,归纳了国内外有关圆形和矩形结构以及桥梁模型抗风研究中的雷诺数效应的基础研究成果及其工程应用成果,涉及的内容主要包括建筑物的平均风压、静三分力系数和Strouhal数的雷诺数效应;还讨论了脉动风压和脉动风力的雷诺数效应;总结了在低雷诺数风洞中模拟高雷诺数效应的措施,这些措施包括改变模型表面粗糙度和增大来流湍流度.最后,对今后的相关研究方向提出了一些建议.

桥梁断面表面压力分布及Strouhal数的雷诺数效应

为了研究桥梁断面Strouhal数的雷诺数效应,通过调节试验风速来改变雷诺数,并在模型表面布置测压点,进行风洞试验。测量了不同雷诺数下各测点的风压时程,分析了压力梯度及压力系数功率谱及涡脱频率的随雷诺数变化规律,研究了Strouhal数的雷诺数效应。研究发现桥梁断面的压力梯度及压力系数功率谱具有明显的雷诺数效应,高雷诺数下,通过风压频谱寻找涡脱频率的方法不可行。研究表明,桥梁断面的Strouhal数具有较为明显的雷诺数效应。

扁平箱形桥梁断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究

斯特罗哈数的雷诺数效应是桥梁断面雷诺数效应研究中的一个重要问题.表面压力积分成气动力的方法在文中得到了应用,用这种方法不仅得到了气动力均值,更重要的是获得了气动力的时程,从而可以计算气动力的RMS值和频率.通过压力积分气动力主要频率计算出刚性支撑断面的斯特罗哈数,并研究了斯特罗哈数随雷诺数的变化规律.试验雷诺数范围为2.7×10^4～1.4×10^6,其中高雷诺数与实桥仅差一个数量级,能够反映实桥情况.在研究中发现扁平桥梁箱形断面的斯特罗哈数有明显的雷诺数效应,斯特罗哈数变化的过渡区雷诺数范围在2×10^5～4×10^5.