火星超低雷诺数下螺旋桨气动性能研究

火星超低雷诺数环境导致螺旋桨系统气动特性相比于地球环境显著恶化,翼型表面层流分离现象影响了火星螺旋桨的气动特性.为设计出适应火星低雷诺数环境的螺旋桨,深入了解超低雷诺数对翼型气动特性的作用机理,采用Transition SST转捩模型求解非定常可压缩N-S方程的数值模拟技术,对几种适用于低雷诺数环境的翼型进行火星超低雷诺数环境下气动特性模拟计算,从而选取最适应火星大气环境的翼型.结果表明CLF5605翼型具有更好的气动性能.对选定的翼型进行不同超低雷诺数下气动特性模拟计算,揭示了超低雷诺数对翼型气动特性的影响,即在火星大气雷诺数范围内,更高的雷诺数对应更好的气动性能;对雷诺数从100~20000翼型表面边界层状态进行数值模拟,发现翼型层流分离结构发生显著变化,从低雷诺数下的层流边界层状态,随着雷诺数的增加开始发生层流分离,在翼型尾缘产生层流分离泡,并最终变成湍流边界层.采用最小能量损失的方法设计火星螺旋桨,对其气动性能进行了数值模拟仿真,并对轻量化制造的螺旋桨进行了地面台架实验验证,通过将地面实验结果与CFD数值模拟仿真结果对比,验证了螺旋桨轻量化设计合理性以及数值计算的准确性.

翼型超低雷诺数气动特性研究

采用多块格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)研究超低雷诺数下翼型的气动特性。在超低雷诺数下,由于粘性作用十分显著,流动呈现明显的非定常特性,引起前后缘层流分离与再附以及涡脱落现象。结果表明粘性作用改变了翼型的有效攻角与有效弯度,对翼型的气动性能有重要影响。翼型厚度增加明显降低了升阻比,翼型几何弯度的增加可以补偿粘性作用引起的有效弯度的减小,雷诺数的减小会减小翼型的升阻比。

大湍流度对超低雷诺数下翼型受力及绕流的影响

实验测量了超低雷诺数(Re=5 300)下NACA 0012翼型在自由来流下的升力系数和阻力系数,重点研究来流的湍流度对升力系数和阻力系数的影响,并进一步通过对翼型流场的研究揭示湍流度对翼型受力产生影响的机理。结果显示,低湍流度下升力系数和阻力系数均无失速特征;当湍流度提高,升力系数和阻力系数在12°～15°迎角下表现出明显的失速特征。翼型流场的流动显示表明,自由来流的湍流度不仅对翼型边界层的流动有明显影响,而且对边界层分离后的剪切层流动状态有很大影响,使得翼型在相同雷诺数和相同迎角下表现出完全不同的特性,并得出湍流度的增大和雷诺数的提高在影响翼型绕流形态及受力特征方面起着相似作用的结论。