本章主要分析了典型翼型氣動(dòng)特性、流動(dòng)結(jié)構(gòu)隨攻角、雷諾數(shù)及來(lái)流湍流度谜疤、蒙皮振動(dòng)等干擾因素的非線性演化規(guī)律，分別從低雷諾數(shù)經(jīng)典層流分離泡的非定常特性和時(shí)均化效應(yīng)现诀、低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性攻角非線性效應(yīng)形成機(jī)理夷磕、翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性惡化的物理機(jī)理、干擾因素對(duì)翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性影響等幾個(gè)方面開(kāi)展翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性的機(jī)理研究仔沿。
國(guó)內(nèi)外對(duì)經(jīng)典的低雷諾數(shù)層流分離流動(dòng)的研究結(jié)論有：
1坐桩、 低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性急劇惡化。翼型的雷諾數(shù)從1e6到2e4封锉，升阻比約降低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)绵跷；
2膘螟、 翼型低雷諾數(shù)工況下的氣動(dòng)特性存在較強(qiáng)的非線性效應(yīng)。隨攻角變化存在小攻角非線性和中等至大攻角的靜態(tài)滯回效應(yīng)抖坪；
3萍鲸、 低雷諾數(shù)情況下，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果均存在很大偏差擦俐，且隨著雷諾數(shù)的降低不斷增大脊阴。這與低雷諾數(shù)下氣動(dòng)特性和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，易受到來(lái)流湍流度蚯瞧、模型表面粗糙度的影響而發(fā)生變化有關(guān)嘿期。
4、 經(jīng)典的層流分離泡模型埋合，認(rèn)為層流分離泡是一種較為穩(wěn)定的流動(dòng)結(jié)構(gòu)备徐。層流分離泡可分為長(zhǎng)泡和短泡，基于長(zhǎng)泡和短泡之間的演化規(guī)律和形成機(jī)制（目前無(wú)一致結(jié)論）可以用于解釋翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性變化甚颂。
一蜜猾、 經(jīng)典層流分離泡
1、 時(shí)均化經(jīng)典層流分離泡
經(jīng)典層流分離泡是層流邊界層在分離點(diǎn)附近周期性地形成分離渦振诬，并順流沿壁面不斷移動(dòng)蹭睡、對(duì)并，并最終從后緣脫落等一系列復(fù)雜非定常過(guò)程的時(shí)均化結(jié)果赶么。在低雷諾數(shù)翼型層流分離現(xiàn)象中肩豁，占主導(dǎo)作用的是層流邊界層的分離及一系列較大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜作用過(guò)程，具有很強(qiáng)的非定常特性辫呻，并不存在穩(wěn)定的層流分離泡和再附點(diǎn)清钥。
2、 雷諾數(shù)對(duì)經(jīng)典層流分離泡的影響
隨著雷諾數(shù)降低放闺，時(shí)均化經(jīng)典層流分離泡尺度變大祟昭，非定常層流分離區(qū)的范圍變大，層流分離在流場(chǎng)中所起的作用增大怖侦，升力系數(shù)相應(yīng)減小篡悟，阻力系數(shù)迅速增加，升阻比下降础钠，氣動(dòng)特性惡化。
3叉谜、 攻角對(duì)經(jīng)典層流分離泡的影響
非定常流場(chǎng)分析中旗吁，分離點(diǎn)位置隨攻角增加前移，但是層流分離區(qū)的高度變化不大停局。但是時(shí)均化流場(chǎng)的結(jié)果與非定常流場(chǎng)分析的結(jié)果顯著不同：分離點(diǎn)位置隨攻角增加而前移的同時(shí)很钓，時(shí)均化再附點(diǎn)的位置也顯著前移香府，從而造成時(shí)均化層流分離泡區(qū)域隨攻角增加而整體前移，對(duì)于所研究的E387翼型码倦，經(jīng)典分離泡的長(zhǎng)度隨攻角增加而減小企孩。
二、 后緣層流分離泡
翼型低雷諾數(shù)條件下氣動(dòng)特性隨雷諾數(shù)和攻角變化的多種非線性效應(yīng)的產(chǎn)生根源在于經(jīng)典層流分離泡和后緣層流分離泡之間的相互演化及突變袁稽；隨雷諾數(shù)下降勿璃，導(dǎo)致翼型壓差阻力系數(shù)急劇增加和升力系數(shù)急劇下降的臨界雷諾數(shù)分別對(duì)應(yīng)著經(jīng)典層流分離泡和后緣層流分離泡的出現(xiàn)。
1推汽、 時(shí)均化后緣層流分離泡
研究對(duì)象是SD8020對(duì)稱翼型补疑。該翼型在低雷諾數(shù)小攻角條件下，除了經(jīng)典層流分離泡外歹撒，還存在一種新的時(shí)均化層流分離泡結(jié)構(gòu)莲组，兩者在流動(dòng)結(jié)構(gòu)和隨攻角的演化規(guī)律方面均存在顯著不同，且兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)可能在某個(gè)攻角位置發(fā)生突變（目前造成這兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生突變的觸發(fā)機(jī)制還不清楚）暖夭。
2锹杈、 后緣層流分離泡的試驗(yàn)驗(yàn)證
采用的是水洞低雷諾數(shù)條件下的PIV流動(dòng)顯示試驗(yàn)。
3迈着、 后緣層流分離泡的非定常特性
后緣層流分離泡和經(jīng)典層流分離泡對(duì)應(yīng)的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性同樣存在顯著不同竭望。通過(guò)對(duì)不同攻角條件下的升力系數(shù)曲線進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：
1） 低雷諾數(shù)情況下寥假，翼型擾流中均存在非定常分離渦結(jié)構(gòu)市框，分離渦周期性地生成、合并糕韧、脫落枫振，造成升力系數(shù)在小和中等攻角條件下呈現(xiàn)明顯的周期性振蕩。
2） 隨攻角增加時(shí)均化升力系數(shù)增加的同時(shí)萤彩，非定常升力系數(shù)脈動(dòng)幅值也增加粪滤，但變化梯度不同。
后緣層流分離泡非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)：分離點(diǎn)附近直至靠近后緣附近的大范圍流場(chǎng)雀扶，基本保持穩(wěn)定杖小，僅在后緣位置附近出現(xiàn)類(lèi)似于卡門(mén)渦街的非定常分離流動(dòng)現(xiàn)象，交替產(chǎn)生上表面生成的負(fù)向分離渦和下表面經(jīng)后緣向上卷起的正向分離渦愚墓，并從翼型后緣脫落予权。
經(jīng)典層流分離泡非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)：分離點(diǎn)附近的流場(chǎng)失去穩(wěn)定，產(chǎn)生分離渦并不斷向下游移動(dòng)浪册，同時(shí)出現(xiàn)大范圍的壓力脈動(dòng)扫腺。
因此造成兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生突變的根源很可能在于分離點(diǎn)附近分離區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，產(chǎn)生獨(dú)立的非定常層流分離渦村象，但觸發(fā)這種突變的機(jī)理目前并不清楚笆环。
三攒至、 翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性攻角非線性效應(yīng)
1、 翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性小攻角非線性效應(yīng)
在雷諾數(shù)為4e4時(shí)躁劣，攻角<2.5°時(shí)升力線斜率明顯低于2π迫吐，乃至出現(xiàn)一個(gè)小平臺(tái)；在攻角在2.5°~3.0°時(shí)升力線斜率又明顯大于2π账忘；在攻角大于3.0°以后志膀，升力線斜率變化又趨于正常。當(dāng)雷諾數(shù)增加到1e5時(shí)闪萄，這種非線性效應(yīng)大大減弱梧却。
后緣層流分離泡與經(jīng)典層流分離泡之間的演化突變是造成低雷諾數(shù)對(duì)稱翼型小攻角氣動(dòng)特性非線性效應(yīng)的根本原因。
2败去、 翼型低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性中到大攻角靜態(tài)滯回效應(yīng)
靜態(tài)滯回效應(yīng)在低雷諾數(shù)條件下翼型試驗(yàn)中廣泛存在放航。主要有兩種形態(tài)：順時(shí)針滯回（一般發(fā)生在最大升力攻角附近）和逆時(shí)針滯回（一般發(fā)生在中等升力攻角附近）。滯回效應(yīng)是層流分離泡影響翼型氣動(dòng)性能的一個(gè)重要表現(xiàn)圆裕，會(huì)影響翼型的最大升力系數(shù)和最大升阻比并使之在很大的范圍內(nèi)變化广鳍，造成飛行器低雷諾數(shù)條件下機(jī)動(dòng)的困難和失速飛行的延遲恢復(fù)。
靜態(tài)滯回效應(yīng)是指攻角增加行程中層流分離泡破裂的失速攻角吓妆，與攻角減小行程中湍流邊界層再附形成層流分離泡的攻角不重合赊时。低雷諾數(shù)翼型靜態(tài)滯回有兩類(lèi)：失速前滯回和失速滯回。
失速前滯回是在攻角增加時(shí)行拢，位于弦中部的長(zhǎng)分離泡變長(zhǎng)并最后進(jìn)入尾流祖秒，升力系數(shù)趨于變平，阻力突然增加舟奠；在增加攻角竭缝，尚未達(dá)到靜態(tài)失速的翼型上長(zhǎng)泡受到壓制變成近前緣的短泡，使阻力系數(shù)明顯下降升力突增沼瘫，而減小攻角到原應(yīng)有長(zhǎng)泡攻角處時(shí)并未出現(xiàn)長(zhǎng)泡抬纸，再進(jìn)一步減小攻角，長(zhǎng)泡又突然出現(xiàn)耿戚，升力驟減阻力突增湿故。
失速滯回可能是翼型攻角已經(jīng)增加到失速攻角附近，升力系數(shù)已經(jīng)進(jìn)入非線性區(qū)達(dá)到最大升力系數(shù)膜蛔，攻角進(jìn)一步增加坛猪，升力系數(shù)突降，阻力系數(shù)突增皂股，流動(dòng)從層流分離泡狀態(tài)完全進(jìn)入大范圍大尺度失速分離狀態(tài)墅茉。當(dāng)流動(dòng)從這種失速分離狀態(tài)下的攻角開(kāi)始減小時(shí)，這種失速分離會(huì)仍然保持，直到某個(gè)臨界攻角又會(huì)突然變回層流分離泡的流動(dòng)結(jié)構(gòu)躁锁，升力系數(shù)突增，阻力系數(shù)突降卵史。
失速前滯回是逆時(shí)針?lè)较蛘阶贉厥琼槙r(shí)針?lè)较颉Ａ鲃?dòng)結(jié)構(gòu)的突變是造成氣動(dòng)特性靜態(tài)滯回效應(yīng)的重要原因以躯。
四槐秧、 翼型流動(dòng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性隨雷諾數(shù)演化規(guī)律
1、 低雷諾數(shù)時(shí)均化流動(dòng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性演化規(guī)律
隨著雷諾數(shù)降低忧设，光滑翼型阻力系數(shù)首先劇增刁标，之后升力系數(shù)和升阻比驟減。一般阻力系數(shù)和升力系數(shù)劇變的臨界雷諾數(shù)不同址晕，造成這種現(xiàn)象的根本原因在于阻力和升力突變的觸發(fā)機(jī)理不同膀懈。導(dǎo)致阻力系數(shù)急劇增加的主要原因在于經(jīng)典長(zhǎng)層流分離泡的出現(xiàn)，引起翼型壓差阻力大增谨垃，并隨著經(jīng)典層流分離泡演化為后緣層流分離泡而進(jìn)一步增大启搂；而造成升力系數(shù)驟減的主要原因在于后緣層流分離泡的出現(xiàn)，使得等效翼型后部彎度減小刘陶。后緣層流分離泡的出現(xiàn)導(dǎo)致翼型升阻特性最終惡化胳赌。
2、 非定常分離特性隨雷諾數(shù)的演化規(guī)律
隨著雷諾數(shù)下降先出現(xiàn)經(jīng)典層流分離泡匙隔，之后出現(xiàn)后緣層流分離泡的規(guī)律具有普遍性疑苫。后緣層流分離泡不是只在對(duì)稱翼型小攻角低雷諾數(shù)條件下才出現(xiàn)，其和經(jīng)典層流分離泡一樣廣泛存在于翼型低雷諾數(shù)流動(dòng)中纷责，且兩種分離泡結(jié)構(gòu)隨雷諾數(shù)和攻角變化而相互演變捍掺，兩種層流分離泡之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制可能與低雷諾數(shù)層流分離轉(zhuǎn)捩過(guò)程緊密相關(guān)。
五碰逸、 來(lái)流湍流度乡小、表面粗糙度對(duì)低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性影響
1、 來(lái)流湍流度影響
1） 當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到3e5及以上饵史，來(lái)流湍流度增加將導(dǎo)致翼型最大升阻比和不同攻角對(duì)應(yīng)的升阻比下降满钟，且隨雷諾數(shù)增加，最大升阻比下降的斜率增加胳喷，即此時(shí)來(lái)流湍流度增加會(huì)造成氣動(dòng)特性惡化湃番；
2） 雷諾數(shù)在2e5及以下時(shí)，隨來(lái)流湍流度增加吭露，翼型升阻比變化趨勢(shì)變得十分復(fù)雜：a）翼型最大升阻比隨來(lái)流湍流度持續(xù)增加吠撮，表現(xiàn)為不單調(diào)和非線性效應(yīng)；b）即便對(duì)于最大升阻比變化不顯著的來(lái)流湍流度范圍讲竿，增大湍流度依然能夠顯著改善中小攻角條件下該雷諾數(shù)范圍下的升阻特性泥兰。
在低雷諾數(shù)下來(lái)流湍流度對(duì)升阻特性影響趨勢(shì)不同的機(jī)理可能在于弄屡，來(lái)流湍流度對(duì)層流分離和轉(zhuǎn)捩位置的影響。當(dāng)雷諾數(shù)在3e5以上時(shí)鞋诗，來(lái)流湍流度增加將導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩位置提前膀捷，湍流區(qū)域擴(kuò)大，摩擦阻力增加削彬，從而造成升阻比下降全庸。當(dāng)雷諾數(shù)在2e5以下時(shí)，同樣轉(zhuǎn)捩位置提前融痛，但可以有效的抑制層流分離帶來(lái)的高壓差阻力壶笼，因此升阻比增加。
2雁刷、 表面粗糙度影響
表面粗糙度常用的兩種數(shù)值模擬方法：
1） 采用粗糙模型改變壁面附近的邊界條件增加擾動(dòng)的方法覆劈，并不真正改變翼型的幾何形狀；
2） 在幾何模型對(duì)應(yīng)位置添加小凸臺(tái)改變翼型表面幾何形狀的方法沛励。
前者的局限性主要體現(xiàn)在粗糙模型的適用性墩崩，后者的局限性在于受模擬能力的限制，很難給出非常貼近真實(shí)粗糙度形式的表面幾何網(wǎng)格分布侯勉。
粗糙元相對(duì)于當(dāng)?shù)剡吔鐚雍穸鹊南鄬?duì)高度鹦筹，與其對(duì)翼型升阻特性造成的影響關(guān)系密切。
對(duì)于雷諾數(shù)處于2e5以上址貌，粗糙元高度達(dá)到邊界層厚度的80%以上時(shí)铐拐，會(huì)造成升阻特性惡化，而且粗糙元高度越高练对，惡化越嚴(yán)重遍蟋。但是在很低的雷諾數(shù)下，一定高度的粗糙元會(huì)使翼型的升阻特性提升螟凭，這是因?yàn)橐欢ǜ叨鹊拇植谠梢杂行У匾种乒饣硇偷屠字Z數(shù)條件下的大尺度層流分離流動(dòng)虚青。
六、 蒙皮振動(dòng)對(duì)翼型低雷諾數(shù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性影響
1螺男、 蒙皮振動(dòng)對(duì)翼型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性的影響
蒙皮振動(dòng)有效抑制了后緣層流分離泡棒厘，將其演化為小范圍的經(jīng)典層流分離泡，等效翼型彎度增加下隧，顯著改善了低雷諾數(shù)條件下翼型的氣動(dòng)特性奢人。
2、 蒙皮振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)非定常特性的影響
低雷諾數(shù)條件下淆院，翼型蒙皮以氣動(dòng)特性波動(dòng)頻率振動(dòng)前后何乎，非定常和時(shí)均化氣動(dòng)特性及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著的改變。這種改變本質(zhì)上是將剛體翼型低雷諾數(shù)時(shí)流場(chǎng)中的后緣層流分離泡流動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)適當(dāng)頻率的蒙皮振動(dòng)轉(zhuǎn)變成了經(jīng)典層流分離泡結(jié)構(gòu)，從而大幅度地減小了分離區(qū)支救，實(shí)現(xiàn)增升減阻抢野，提高升阻比，但是并沒(méi)有導(dǎo)致流場(chǎng)和氣動(dòng)特性的波動(dòng)頻率變化各墨。
3蒙保、 振動(dòng)頻率的影響
并非任何振動(dòng)頻率都可以提高翼型低雷諾數(shù)的氣動(dòng)特性，不同攻角時(shí)能夠起到增升減阻作用的振動(dòng)頻率區(qū)間不同欲主。被動(dòng)振動(dòng)還需進(jìn)一步的研究。
七逝嚎、 低雷諾數(shù)三維流動(dòng)特性
1、 翼段低雷諾數(shù)流動(dòng)的三維效應(yīng)
基于LES方法的三維模擬結(jié)果與基于RANS方法模擬的二維非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在層流邊界層分離直至?xí)r均化再附點(diǎn)之前的位置补君，兩者所模擬的流動(dòng)結(jié)果是比較一致的，流場(chǎng)基本由非定常大尺度二維展向分離渦結(jié)構(gòu)主導(dǎo)伟桅。但兩種方法獲得的再附點(diǎn)位置附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出明顯的差異：RANS結(jié)果表明，再附點(diǎn)位置附近兩個(gè)二維分離渦發(fā)生對(duì)并后成為一個(gè)更大的分離渦叽掘，隨后這個(gè)非定常分離渦繼續(xù)沿壁面向下游運(yùn)動(dòng)楣铁；LES結(jié)果表明更扁，再附點(diǎn)附近規(guī)則的大尺度二維展向?qū)恿鞣蛛x渦突然破碎成一系列復(fù)雜的小尺度三維非定常分離渦結(jié)構(gòu)，其中既包括流向渦浓镜，也包括發(fā)卡渦溃列，從流動(dòng)結(jié)構(gòu)作用的區(qū)域看并不是湍流邊界層，而是表現(xiàn)為湍流分離膛薛。
2听隐、 大展弦比機(jī)翼低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性
對(duì)于真實(shí)的大展弦比飛行器哄啄，由于受表面粗糙度、來(lái)流湍流度椿访、螺旋槳滑流虑润、彈性變形等因素的影響，獲得大展弦比低雷諾數(shù)飛行器的氣動(dòng)特性是十分困難的，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1） 在風(fēng)洞中模擬真實(shí)飛行條件下的雷諾數(shù)范圍哭当、來(lái)流湍流度和表面粗糙度是困難的。
2） 低雷諾數(shù)情況下陋葡，針對(duì)各種可能帶來(lái)重要影響的因素彻采，還沒(méi)有比較成熟的修正方法或者手段。
3） 大展弦比低雷諾數(shù)飛行器飛行試驗(yàn)的氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)受飛行器大尺度和結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)的影響岭粤，造成相應(yīng)的氣動(dòng)力建模特笋、飛行環(huán)境和飛行姿態(tài)測(cè)量的系統(tǒng)性誤差較常規(guī)飛行器影響更大，通過(guò)飛行試驗(yàn)獲取氣動(dòng)辨識(shí)數(shù)據(jù)真實(shí)偏差量同樣存在很大難度虎囚。
3蔫磨、 小展弦比機(jī)翼低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性
低雷諾數(shù)下前緣或翼尖渦系在流動(dòng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)，之間相互作用對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)特性影響大堤如，流場(chǎng)具有強(qiáng)烈的三維特征。小展弦比低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性主要可以歸結(jié)為：三維效應(yīng)顯著并占據(jù)主導(dǎo)嫉嘀；升阻比隨雷諾數(shù)降低逐漸變差魄揉，但相對(duì)于二維翼型，小展弦比機(jī)翼升阻比受低雷諾數(shù)效應(yīng)的不利影響相對(duì)較新逋恕兵怯；流動(dòng)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)左右不對(duì)稱，導(dǎo)致橫側(cè)穩(wěn)定性變差媒区。
參考文獻(xiàn)：李鋒, 白鵬等. 飛行器低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 中國(guó)宇航出版社, 2017.
