摘要： 為減少飛機飛行阻力、提高氣動效率，基于微溝槽減阻理論，對機翼蒙皮進(jìn)行微溝槽設(shè)計和減阻特性分析。應(yīng)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，對不可壓縮流下的縱、橫向微溝槽進(jìn)行模擬。選取k-ω SST湍流模型，通過分析V形溝槽邊界層區(qū)域的流動特征，探究不同尺寸V形溝槽的減阻特性與減阻機理，對橫向V形溝槽的數(shù)量與位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，隨著溝槽尺寸和迎角減小，減阻率增大，縱向溝槽最大減阻率可達(dá)9.31%，橫向溝槽減阻率最大可達(dá)7.35%，優(yōu)化后的溝槽減阻率提高了1.39%。

關(guān)鍵詞： V形溝槽；機翼蒙皮；k-ωSST模型；減阻機理；仿真分析

中圖分類號： V262" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

doi：10.3969/j.issn.2095-1248.2023.02.010

Simulation analysis of drag reduction characteristics for wing skin based on V-shaped groove

WANG Wei， HUANG Ru， ZHOU Ai， FENG He

（College of Civil Aviation， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110136，China）

Abstract： In order to reduce the aircraft flight resistance and improve its aerodynamic efficiency， based on the micro-groove drag reduction theory， the micro-groove design and drag reduction characteristics analysis of the wing skin were conducted. The incompressible flows of longitudinal and transverse micro-groove were simulated using computational fluid dynamics （CFD） methods. The k-ω SST model was selected，and the drag reduction characteristics and mechanism on different sizes of V-shaped groove were investigated. By investigating the flow characteristics in the boundary layer， the number and position of transverse V-shaped groove were optimized. The results show that the drag reduction rate is increased with the decrease of groove size and angle of attack. The maximum drag reduction rate of longitudinal and transverse grooves are 9.31% and 7.35% respectively，and this rate of the optimized transverse groove is increased by 1.39%.

Key words： V-shaped groove；wing skin；k-ω SST model；drag reduction mechanism；simulation analysis

飛行阻力是影響民航客機燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素，增升減阻、改善飛行性能、提高燃油效率一直是民航客機設(shè)計的主要目標(biāo)［1-2］。為減少飛行時的摩擦阻力，國內(nèi)外學(xué)者與研究機構(gòu)基于仿生學(xué)原理，研究仿生微結(jié)構(gòu)在飛行器減阻作用中的應(yīng)用。

目前，仿生微結(jié)構(gòu)減阻的相關(guān)研究主要集中在微溝槽結(jié)構(gòu)。美國NASA研究中心的Walsh［3］對三角形截面微溝槽減阻效果進(jìn)行分析，最高減阻率可達(dá)8%。Bacher等［4］采用流動顯示與熱膜流速器對溝槽模型進(jìn)行減阻研究，分析流體流線，得出溝槽結(jié)構(gòu)的減阻機理。Bixier等［5］對封閉管道內(nèi)的微溝槽進(jìn)行減阻實驗，得出來流速度、流體黏性以及微溝槽形狀對減阻率的影響規(guī)律。Martin等［6］與Domel等［7］基于仿生學(xué)原理設(shè)計微溝槽，得到具有最佳減阻效果的溝槽形狀、尺寸設(shè)計參數(shù)。周健等［8］對微溝槽減阻特性進(jìn)行模擬分析，通過與實驗結(jié)果對比，驗證了模擬分析方法的正確性，解決了模擬分析方法在工程實踐中的應(yīng)用問題。王松嶺等［9］基于大渦模擬方法，探究溝槽分布位置對機翼氣動特性的影響，發(fā)現(xiàn)分布于機翼后段的溝槽可有效控制邊界層分離，改善氣動性能。陳璠等［10］與徐琰等［11］基于數(shù)值模擬方法，研究多種形狀溝槽的減阻特性，解釋溝槽的減阻機理，徐琰進(jìn)一步給出最優(yōu)V形溝槽設(shè)計方案。杜淑雅等［12］分別采用RANS、DES、LES和直接模擬方法，對三角形、梯形兩種溝槽進(jìn)行仿真，對比得出梯形溝槽減阻效果更優(yōu)的結(jié)論。

上述研究對不同截面形狀溝槽進(jìn)行減阻分析，通過改變來流速度、迎角大小或溝槽尺寸等單一方式分析減阻規(guī)律。本文將橫、縱向V形溝槽分別應(yīng)用于機翼蒙皮，從來流速度、迎角、溝槽間距與高度、溝槽數(shù)目與位置等參數(shù)對其進(jìn)行減阻特性研究。通過仿真計算得出橫向與縱向V形溝槽隨來流速度、迎角與溝槽尺寸的變化規(guī)律，通過分析近壁面的流場特性，得出橫向、縱向溝槽的減阻機理。改變橫向溝槽的數(shù)目、距前緣的距離，進(jìn)一步提升橫向溝槽的減阻率。

1 溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于氣流的黏性作用，在流動過程中物體表面流速降低，隨著與壁面間距離的增大，逐漸達(dá)到來流速度，形成附著在物體表面的薄流體層，即邊界層，在流體計算中不可忽略。如圖1所示，其厚度用δ表示。

正將邊界層分為黏性底層、過渡層、對數(shù)率層，以無量綱距離y+值為基準(zhǔn)

y^+=（yu_τ）/v （1）

式中：y為距壁面距離；uτ為表面剪切速度；v為運動黏度。流體在黏性底層的流動近似于層流，湍流切應(yīng)力可忽略不計。隨著流體與壁面距離的增大，需要考慮湍流切應(yīng)力與黏性切應(yīng)力兩者的作用，對速率層的流體處于完全湍流狀態(tài)，此時湍流切應(yīng)力起主要作用［13］。

本文以V形為例，通過溝槽的高度和間距來確定溝槽尺寸，溝槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)無量綱數(shù)h+=s+時，溝槽的減阻性能最佳［14］。

計算公式

h^+=h u_τ/v （2）

s^+=s u_τ/v （3）

式中：s為溝槽間距；h為溝槽高度；u_τ=√（τ_ω/ρ）

壁面剪切應(yīng)力τω滿足

τ_ω=0.022 5ρU^2 （v/Uδ）^（1/4） （4）

式中：U為流體速度。

邊界層厚度δ表示為

δ=0.37×Re_^（-1/5） （5）

式中：Re為雷諾數(shù)，結(jié)合式（2）～（5），最終得出溝槽無量綱高度和間距如式（6）、（7）所示

h^+=（0.17hURe^（-1/10））/v （6）

s^+=（0.17sURe^（-1/10））/v （7）

2 湍流模型

利用光滑平面雷諾數(shù)計算公式與邊界層厚度公式可知，臨界雷諾數(shù)為5.0×105，流體最小流速為80 m/s，計算域的長度需要大于92.5 mm，計算域的邊界層厚度為3 mm。如圖3所示，設(shè)置計算域長為140 mm、高20 mm、寬2 mm。

在前處理階段選擇ICEM完成網(wǎng)格劃分工作。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以靈活、高效地控制網(wǎng)格大小，完成邊界層部分的網(wǎng)格加密工作，此步操作在最大程度上提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

選擇k-ω SST兩方程湍流模型［15］進(jìn)行計算，該模型融合了k-ε與k-ω兩種計算模型的優(yōu)點，計算過程中考慮了湍流切應(yīng)力的傳輸，在充分模擬遠(yuǎn)壁面湍流流動的同時，更加準(zhǔn)確地模擬出邊界層附近的流體動線。計算域中的流體為密度ρ=1.225 kg/m3、動力黏度μ=1.789×105" N?s/m2、運動黏度v=1.46×105 m2/s的不可壓縮空氣。設(shè)定速度入口與壓力出口，來流速度從80 m/s開始，以10 m/s為一個梯度增加到120 m/s；迎角的大小從-5°開始，以5°為一個梯度增加到15°；設(shè)置湍流強度為5%、湍流黏度比為10。采用混合初始化及SIMPLE算法進(jìn)行計算。

3 仿真結(jié)果與減阻機理

針對來流速度、迎角大小、溝槽的尺寸、數(shù)目、位置等影響因素對溝槽減阻率進(jìn)行求解，溝槽減阻率η如式（8）所示

η=（F-F_1）/F×100% （8）

式中：F為光滑蒙皮所受阻力；F1為V型溝槽蒙皮所受阻力。減阻率越大，減阻效果越好。

設(shè)定溝槽數(shù)為10，橫向V形溝槽在距離前緣80 mm處。根據(jù)表1中設(shè)計參數(shù)分別對溝槽進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。橫向溝槽減阻率隨著來流速度的增加先增大后減小，在來流速度為100 m/s時出現(xiàn)拐點，在溝槽為h=s=0.08 mm、V=100 m/s時，減阻率達(dá)到最大值6.81%；縱向溝槽減阻率隨速度的增大而減小，在h=s=0.08、V=80 m/s時，減阻率達(dá)到最大值8.75%。隨著溝槽尺寸減小，溝槽減阻率增大。

針對h=s=0.08mm溝槽，根據(jù)表2中設(shè)計的參數(shù)對不同迎角條件下的溝槽進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖6所示。迎角為-5°時溝槽減阻率最大，隨著來流速度的增加，橫向溝槽減阻率的變化拐點依然存在，當(dāng)來流速度V=100 m/s時達(dá)到最大即7.35%；縱向溝槽隨速度的增大，減阻率減小，當(dāng)來流速度V=80 m/s時，減阻率最大值為9.31%。隨著機翼的迎角減小，溝槽減阻率增大。

以提高橫向溝槽減阻率為目的，溝槽數(shù)目、距前緣距離為設(shè)計參數(shù)，對h=s=0.08 mm橫向溝槽在迎角0°，來流速度分別為80、100、120 m/s條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。溝槽數(shù)目設(shè)計參數(shù)如表3所示，仿真計算結(jié)果如圖7所示。隨著溝槽數(shù)目的增加，溝槽減阻率增大。當(dāng)V=80 m/s時，溝槽減阻率最??；當(dāng)V=100 m/s時，平均溝槽減阻率最大，最大值達(dá)到8.74%。

針對溝槽距離前緣位置，根據(jù)表4設(shè)計參數(shù)對橫向溝槽進(jìn)行仿真計算，仿真結(jié)果如圖8所示。溝槽分布位置對減阻率的影響較小，隨著與前緣距離的增加，減阻率整體呈下降趨勢。在距前緣為60 mm、V=100 m/s時，平均減阻率最大，最大減阻率達(dá)8.01%。在V=80 m/s時，減阻率提升了0.84%，最高達(dá)1.86%。V=120 m/s時，減阻率提升了0.96%，最高達(dá)4.51%。橫向溝槽分布位置越接近前緣，其減阻效果越好。

光滑蒙皮表面與橫向溝槽蒙皮表面的速度云圖如圖9所示，橫向微溝槽加大了邊界層厚度，從而改變了邊界層內(nèi)部氣流流線，進(jìn)而達(dá)到改善氣動性能的效果。氣流流過溝槽時，一部分氣流流進(jìn)溝槽內(nèi)部，在溝槽底部形成低速漩渦，溝槽內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)氣流起到了類似“滾動軸承”［16］的作用，蒙皮外表面的氣流流動狀態(tài)由滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦。

光滑蒙皮表面與縱向溝槽蒙皮表面的速度云圖如圖10所示。縱向微溝槽同樣增大了蒙皮表面邊界層厚度，黏性底層厚度增加，氣流流速變化梯度減小，該區(qū)域氣流流動平緩，流動特征近似于層流，可讓外側(cè)高速氣流順利流過壁面且與壁面不發(fā)生接觸，減少了與壁面間的摩擦阻力。黏性底層的加厚抑制了湍流的產(chǎn)生，達(dá)到減阻目的。

4 結(jié)論

以V形溝槽機翼蒙皮為研究對象，在不可壓縮流場中進(jìn)行仿真分析，得出溝槽減阻規(guī)律與減阻機理，設(shè)計提高橫向V溝槽減阻效果方案。本文所得結(jié)論如下：

（1）溝槽尺寸越小，減阻效果越好。溝槽h=s=0.08 mm時，減阻效果最佳，橫向V溝槽減阻率隨速度的增大先增大后減小，在V=100 m/s時達(dá)到最大6.81%，縱向V溝槽減阻率則隨著速度的增大而減小，最大達(dá)8.75%。隨著迎角的減小溝槽減阻率增大。α=-5°時，橫向溝槽減阻率達(dá)7.35%，縱向溝槽減阻率可達(dá)9.31%。

（2）增加溝槽數(shù)目、縮短與前緣距離可提高橫向溝槽減阻率。溝槽數(shù)目增加至25，溝槽減阻率增加到8.74%。溝槽距前緣距離為60 mm時，最大減阻率達(dá)8.01%。

（3）橫向V溝槽近壁面氣流在溝槽內(nèi)形成低速漩渦，將壁面與流體之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)化成滾動摩擦，減小了氣流與壁面間的摩擦阻力，達(dá)到減阻目的?？v向V溝槽使得邊界層的黏性底層加厚，氣流速度變化梯度減小，黏性切應(yīng)力減小，氣流流動更加平緩，避免了外側(cè)高速氣流與壁面間產(chǎn)生摩擦阻力，達(dá)到減阻目的。

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（責(zé)任編輯：吳萍" 英文審校：杜一鳴）