鄭隆乾
雷諾數(shù)對RAE2822翼型氣動特性的影響
鄭隆乾
使用數(shù)值計算方法研究了雷諾數(shù)對RAE2822超臨界翼型高亞音速氣動特性的影響。結(jié)果表明:雷諾數(shù)對RAE2822翼型下翼面和波前上翼面的壓力分布影響很小,對激波位置和強度、波后壓力分布影響明顯,對升力系數(shù)、俯仰力矩影響很大。采用超臨界翼型的民用飛機,在進行機翼氣動設計時,必須考慮雷諾數(shù)效應。
現(xiàn)代民用飛機為了提高巡航性能,通常采用超臨界翼型,以弱化或推遲激波、減小附面層分離,從而提高阻力發(fā)散馬赫數(shù)。而在高亞音速飛行時,翼面激波強弱、激波位置、附面層分離情況,對雷諾數(shù)效應非常敏感。雷諾數(shù)的變化,可能會使翼型的壓力分布形態(tài)、力和力矩特性與設計目的發(fā)生明顯偏離。因此,研究超臨界翼型的雷諾數(shù)效應,對民用飛機的氣動設計有重要意義。
本文針對RAE2822翼型,使用數(shù)值計算方法,研究了雷諾數(shù)對其氣動特性的影響。
采用的主控方程為三維積分形式的雷諾平均N-S方程(RANS):
其中,V→ 為控制體體積,Q 為守恒變量矢量,S為控制體表面,→f為通過表面S的凈通量矢量,包含黏性項和無黏項,為表面S的單位外法向矢量。
以有限體積方法構(gòu)造空間離散格式,無黏通量項的離散,采用迎風型通量差分分裂格式,該格式本身帶有耗散性,無需加入人工耗散項,格式有較高的間斷分辨率和數(shù)值模擬精度,而對于黏性項,采用二階中心格式進行離散。時間推進上采用的是隱式近似因子化法,在每一個空間方向上獨立進行隱式求解運算。利用當?shù)貢r間步長,多層網(wǎng)格逐層迭代及多重網(wǎng)格法加速收斂。采用SST湍流模型。
物面采用無滑移條件,遠場采用自由流條件。
RAE2822翼型是典型的超臨界翼型,國內(nèi)外針對該翼型開展過大量的風洞試驗和數(shù)值計算研究,在CFD界中被廣泛用于數(shù)值方法驗證以及氣動優(yōu)化設計。
該網(wǎng)格從NASA官網(wǎng)獲得。單塊C形網(wǎng)格,遠場約為20倍弦長大小,網(wǎng)格點分布為257×97,翼型表面分布176點,第一層網(wǎng)格高度為弦長的10-6,如圖1所示。
結(jié)果對比
圖2是計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果的壓力分布曲線對比。圖中可以看出,計算結(jié)果的下翼面壓力分布與風洞試驗結(jié)果吻合良好,而對于上翼面,前緣的吸力峰值比試驗結(jié)果低,網(wǎng)格分布是其中一個影響因素;激波前的壓力分布吻合較好,激波位置較準確,波后壓力分布與試驗結(jié)果存在差量,這是因為波后附面層分離,數(shù)值計算模擬存在誤差的原因。總體來說,計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果在形態(tài)上、數(shù)值上都很相近。
保持馬赫數(shù)和迎角不變,改變雷諾數(shù),考察雷諾數(shù)對RAE2822翼型氣動特性的影響。雷諾數(shù)范圍從1.0×106到10.0×106。
圖1 計算網(wǎng)格
圖2 計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果對比
圖3 雷諾數(shù)對壓力分布的影響
對壓力分布的影響
圖3給出了雷諾數(shù)對RAE2822翼型壓力分布影響的典型計算結(jié)果。圖中可以看出,雷諾數(shù)主要影響上翼面激波位置和激波強度,整個下翼面以及上翼面波前的壓力分布受雷諾數(shù)影響很小。
雷諾數(shù)增大,黏性效應減小,附面層變薄,波前負壓變大,因此,圖3的壓力分布曲線呈現(xiàn)一條高過一條的情況,但由于超臨界翼型上表面外形較平坦,雷諾數(shù)的變化對流場結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生實質(zhì)性的影響,壓力系數(shù)變化不明顯。
激波位置隨著雷諾數(shù)的增大不斷后移,雷諾數(shù)從2.0×106增大到10.0×106,激波位置后移了大約4%弦長,尤其是當雷諾數(shù)在6.2×106以下時,激波位置對雷諾數(shù)最為敏感,僅僅從2.0×106到6.2×106,激波位置就后移了3%弦長,這與參考文獻中的實驗結(jié)果一致。
激波強度也隨著雷諾數(shù)的增大不斷變強,激波附面層干擾更劇烈,使得波后附面層內(nèi)分離加強,波后的壓力分布曲線變化趨勢與波前相反。
對氣動力的影響
圖4給出了雷諾數(shù)對RAE2822翼型的氣動力的影響。雷諾數(shù)增大,黏性效應減弱,附面層變薄,同時,激波位置后移,上翼面載荷增大,升力系數(shù)增大,在雷諾數(shù)小于6.2×106時,升力對雷諾數(shù)較敏感,雷諾數(shù)從1.0×106增加到6.2×106,升力系數(shù)增大0.0756,而雷諾數(shù)從6.2×106到10.0×106,升力系數(shù)僅增大0.0183。
阻力系數(shù)的變化趨勢是先隨雷諾數(shù)增大而減小,然后隨雷諾數(shù)增大而增大。雷諾數(shù)從1.0×106增大到3.0×106,黏性效應減弱,激波雖然變強,但波后附面層內(nèi)的流動變化不能改變整個翼型阻力減小的趨勢;雷諾數(shù)繼續(xù)增大,盡管黏性效應繼續(xù)減弱,但激波增強使得激波附面層干擾更加劇烈,激波誘導的附面層分離更明顯,翼型的阻力變化趨勢發(fā)生反轉(zhuǎn)??傮w來看,雷諾數(shù)增加帶來的黏性效應的減弱,與激波誘導附面層分離的增強,在阻力系數(shù)上有一定抵消,因而,在如此大的雷諾數(shù)變化范圍內(nèi),阻力系數(shù)的變化不明顯。
圖4 雷諾數(shù)對氣動力的影響
激波位置隨著雷諾數(shù)的增大逐漸后移,翼型后加載更大,低頭力矩隨之變大。
升力變化明顯,阻力變化不大,因此,升阻比的變化趨勢與升力的變化趨勢一致。
本文對RAE2822翼型在高亞音速下的雷諾數(shù)影響進行了計算研究,得出了雷諾數(shù)對其高亞音速氣動特性的一些影響規(guī)律。
雷諾數(shù)變化對下翼面和波前上翼面的壓力分布影響很小,主要影響激波位置、激波強度以及波后壓力分布。雷諾數(shù)增大,激波位置后移,激波增強,激波邊界層干擾變劇烈,激波誘導的附面層分離變強。
雷諾數(shù)通過上述對流場結(jié)構(gòu)的改變,從而明顯地影響到升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)。雷諾數(shù)增大,升力系數(shù)增大,低頭力矩增大,升阻比變大。
民用飛機在進行超臨界機翼氣動設計時,必須考慮雷諾數(shù)影響。
10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.015