细长翼分离涡的时均非对称性研究

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已有研究结果表明细长三角翼上存在时均非对称涡(B.F.Ma et al,J Fluid Mech,Vol.832,2017),但是该非对称涡产生的原因并不清楚。存在两种可能的物理机制,一种是非对称涡是流动的整体不稳定引起;另一种是由于分离涡对模型几何上微不对称的敏感性引起的。由于在实验上难以得到完全对称的细长翼模型(加工公差总会引起微不对称),因而不好验证。本文利用数值模拟技术研究尖部几何微不对称性对分离涡对的影响,得到模型完全对称、尖部微不对称等情况下的流场结构。计算所选的模型为尖前缘细长三角翼,模型根弦长为250mm,厚度为4mm,两侧倒角45°,后掠角为85°。计算模型分为三种:1.尖部不加扰动的模型;2.尖部左侧施加扰动的模型;3尖部右侧施加扰动的模型。计算网格量为800万,其中尖部扰动通过在尖部挖去部分网格来模拟,扰动沿网格径向14层网格高度,约为0.26mm,沿轴向7层网格高度,约为0.2mm。使用Fluent进行数值模拟,采用大涡模拟(LES)进行非定常计算,使用二阶Coupled算法,时间步长为0.0005s,边界条件采用速度入口边界条件和压力出口边界条件。通过提取时均流场的涡核位置来研究涡对的非对称性,包括涡核距离对称面的展向位移和涡核距离模型背风面的法向位移。为了验证计算结果的可靠性,首先研究了细长翼上涡对的位置、环量和涡核半径随相似参数K=tanα/(tan(90°-Λ))的变化规律,所有物理量基于当地截面半展长s无量纲化,并与实验结果做了对比。涡核的位置通过获得涡核距离三角翼对称面的展向位移y和涡核距离三角翼背风面的法向位移z来定义,通过对涡量在选取的特定区域上的面积分得到环量,而且截面上反方向的二次涡没有包括在环量中,涡核半径通过对涡核处涡量的二阶距的面积分得到的。结果显示涡对的位置、环量和涡核半径与实验的规律一致。此外,由于数值模拟的数据更为丰富,因而进一步提取了涡核处沿流向的轴向速度Vx与最大切向速度Vθmax的比值W0。得到了W0随着迎角的变化曲线,结果发现在5°25°迎角范围内,(2随着迎角的增加呈现减小趋势,在25°40°迎角范围内,在截面无旋涡破裂的状态下,(2基本保持不变。由于在40°迎角下,x/c=1.0截面处涡发生破裂,沿流向的轴向速度(1急剧减小,所以(2变小。定义为旋涡处最大切向速度Vθmax与来流速度U∞的比值S,发现在截面无旋涡破裂的状态下,其随着迎角的增加而近似呈现线性增长趋势。由于涡破裂发生S也相对减小。进一步研究尖部扰动对细长三角翼分离涡对非对称性影响随着迎角变化的变化趋势。将各个迎角下,模型无尖部扰动的流场作为基本流场,加上尖部扰动后的流场不对称流场,将不对称流场减去基本流场,得到了不对称扰动流场,对扰动场的拟涡能在全流场积分,得到的积分表明流动的不对称程度。图1给出了35°迎角时,有无尖部扰动下细长翼上的涡对的不对称情况。图2给出了扰动场的拟涡能积分与基本流场的拟涡能积分随迎角的变化。由于在尖部左侧和右侧施加相同扰动的结果的相似性,所以选取在右侧施加扰动模型在不同迎角下的结算结果进行比较。可以看到,在尖部微扰动作用下,流动的非对称性随着迎角的增加而增加。由于40°迎角下旋涡发生破裂,40°迎角后基本流场的拟涡能有所减小。通过2准则提取有扰动和无扰动状态下在各个迎角下的时均三维流场图,发现无扰动情况下,在5°35°迎角范围内,左右两个涡都没有发生破裂,左右涡关于对称面对称,在40°迎角下,左右两个涡都发生破裂,得到的时均三维流场左右涡也关于对称面对称,为对称破裂。在尖部施加扰动后,在5°30°迎角范围内,左右两个涡同样没有发生破裂现象。在35°迎角下,只有一侧的涡破裂,在左侧施加扰动后,左侧的涡会提前发生破裂,在右侧施加扰动后,右侧的涡会提前发生破裂现象。在40°迎角下,在左侧施加扰动后,左侧的涡相对于无扰动的时均流场破裂位置提前,右侧涡的时均破裂位置延迟,在右侧施加扰动后,得到的结果与在左侧施加扰动的结果相似,右侧涡破裂位置提前,左侧涡破裂位置延迟。通过该研究发现,细长翼上的非对称涡来源于涡对对模型尖部几何微不对称的敏感性。
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