1、1姓名：刘静 学号：2009100005旋涡与分离流动在航空飞行器设计中的应用旋涡与分离流动是流体动力学中一类复杂的流动现象。它广泛存在于各种物体的绕流中，如航空航天飞行器、建筑物、风机、流体机械、以至体育运动中的绕流流动等。由于分离现象对物体的绕流特性和气动特性有着十分严重的影响，所以长期以来人们对分离现象及其流动特性进行了广泛、深入的研究。早期二维分离的研究结果为气动设计提供了尽量避免分离的设计原则。然而随着三维分离的研究与深入，特别是在一定条件下的三维分离将发展成为具有有利干扰的旋涡运动，出现了多种多样的应用可控分离流概念的气动设计技术。特别是“协和号”细长翼超声速运输机和“哥伦比亚”航
2、天飞机的研制，进一步促使分离流从应用到基础研究的突飞猛进，出现了可控分离流的概念。从此，人们从传统的尽量避免分离的气动设计概念发展到控制并利用分离流动的新阶段，分离流研究工作也进入一个新的发展高潮，并形成了分离流研究这一新分支。航空界所称的“大迎角空气动力学”就是以旋涡分离流为研究中心的流体力学科分支。与此同时，在航空应用上提出了许多控制和利用分离及其有利干扰的新型气动布局，例如边条翼、涡襟翼、鸭翼近距耦合、展向吹气等。由于现代飞行器要实现大迎角飞行，超机动飞行和改善过失速机动性能，通常采用三角翼，这主要是利用分离涡产生非线性涡升力及协调亚、跨、超音速不同速度范围对机翼平面形状要求的矛盾。近二
3、十对年来，这类机翼的空气动力学研究十分活跃，研究成果也很丰富。它之所以成为空气动力学、流体力学的研究热点之一，原因如下：（1）三角翼本身是现代高性能飞行器所普遍采用的实际机翼，为提高飞行器性能，希望深入了解其上的复杂流动；（2）三角翼几何形状简单，流场中没有历史遗留的旋涡，便于研究，而且其流场中包含有丰富分离及涡运动形态，目前，这些复杂流动的机理、规律还不很清楚，因此，也是基础研究的重点之一；（3）历史上，飞行器扰流形态从附着流型走向定常脱体涡流型，使飞行器性能向前跨了一大步，近年来，人们又发现利用弱2非定常扰动对流动的激发、整流作用和旋涡的非线性效应，可以大大改善气动效果，这又向人们展示了一
4、个美好的前景，而这种非定常效应在三角翼上是易于实现和研究的。三角翼上流场的一般特性是：在某一攻角下，沿前缘的分离流形成了自由剪切层，该剪切层卷起形成了前缘涡或称主涡，前缘涡诱发了沿展向的逆压梯度，导致了二次分离及二次涡，同样，二次涡又可以诱发三次分离和三次涡等等。前缘可以产生非线性升力，提高稳定性，增加垂危的操纵性。随攻角增大，这种非线性升力增强，但攻角达到一定程度后，前缘涡破裂，流场剧变，前缘涡成为不利的非定常流动，它将导致升力下降，俯仰力矩突然变化，机翼摇摆，抖振，甚至产生双垂危的疲劳破坏以致共振。对于双三角翼、边条-三角翼和近距耦合鸭翼，还存在来自不同机翼的涡流相互作用，对于跨、超音速流
5、动，还存在着涡- 激波、激波- 边界层的相互作用，这都使流动更加复杂。三角翼上前缘涡的破裂有两种基本形式，即泡型破裂和螺旋型破裂。目前，对于涡破裂的机理、变化规律还缺乏深入的认识。泡型破裂的特点是：前缘涡旋转轴上有一滞点，随后涡核突然膨胀，形成了回流型包络线；螺旋型破裂的特点是：沿前缘旋转轴流动迅速减速并突然形成一个绕结，整个螺旋结构沿旋转轴以前缘涡相反的方向周期旋转。关于涡破裂的起因亦有多种假说，如动力失稳理论、准柱模型以及边界层分离比拟方法、波动理论、拓扑结构理论，但目前还没有公认的涡破裂模型。虽然三角翼上涡流问题的研究已有 30 多年的历史了，而用计算机流体动力学的方法研究三角翼绕流只有
6、十多年的历史，但其发展很快，且较活跃，这是因为：（1）试验研究的代价较高，而计算的费用则越来越低；（2）数值模拟方法及计算机水平的提高使 CFD 越来越来成熟、强大，其模拟复杂流动问题的能力逐渐被大家所认可；（3）三角翼上的流动复杂，用试验的方法定量、细致描述其流动形态比较困难，如目前的试验技术较难确定附着线位置，尤其是二次附着线，如果再考虑涡破裂的非定常流动问题，则试验就更难以捕捉这种高速瞬时现象了，而 CFD 的优点就是可以定量、细致、清晰地描述流场，可以进行任意变量、区域、时间的流场再现、放大、诊断，这也是流动机理研究所希望的。3自 80 年代后期以来，美国 NASA Ames Rese
7、arch Center, Langley Research Center，美国空军 Wright Lab，德国 DLR,，日本 Aerospace Lab，台湾成功大学等先后开展了用 CFD 模拟三角翼上涡流问题的研究，发表了很多论文，本文综述近些年来这方面的研究进展。用 CFD 方法研究三角翼上流动情况的早期，大多使用 Euler 方程，因为Euler 方程数值模拟省时、省力，也易实现，对网格、计算机的要求低，因而也取得了一定的成功。荷兰 Naional Aeroapace Lab(NLR)的 Van den Berg 等的研究认为：实验表明，一般飞行器上总的涡流特性包括前缘涡的形成，以及涡
8、流对上表面流动的影响等只轻微地依赖 Re 数，这意味着可以使用 Euler 方程来描述这些流动。Euler 方程可以描述有旋、对流、涡的拉伸及收缩等流动，也可以捕获由于激波、有固定分离点等生成的涡流。虽然从理论上讲 Euler 方程不能描述分离等粘性作用较强烈的流动问题，但实际上由于计算格式中的数值耗散作用以及分离点固定在翼前缘，前缘涡主要受控于对流作用，对 Re 数并不敏感，从而不使用Kutta 条件也能捕捉到前缘分离等现象。这已为数值试验所证实，但是真实粘性所引发的其它位置上的流动情况尤其是比较细微的流动结构，Euler 方程不能模拟，如位于主涡下部的二次分离对主涡的位置及强度均有影响，对
9、表面压力分布影响较大，这些，Euler 方程无能为力。Euler 方程虽然可以比较正确地模拟出三角翼上的总体流动特性和总的起动力，但对于诸如二次分离等具有重要作用的粘性现象只能用 N-S 方程的数值模拟来解决。经典的飞机气动设计的基本点是保持附着流型，在飞机正常使用范围内不发生气流分离。这样，可以得到最低的阻力和最高的升阻比。机翼上的气流发生分离表示飞机达到了最大升力，是飞机使用的极限，而且机翼或机身上的分离可能引起尾翼或飞机的抖振，这也是飞机使用的一种极限。直到 60 年代初期，战斗机的设计在执行主要任务的阶段还是保持着附着流型。由于对机动性的日益重视，战斗机使用的迎角不断扩大，不可避免地要
10、出现分离。为了减轻和推迟分离，扩大战斗机的使用迎角范围，广泛采用了机翼变弯度措施，常用的是前缘襟翼和前缘缝翼。4对于现代战斗机，一般都要求在亚、跨音速有高的机动性能，同时也要求良好的超音速性能，对 90 年代的战斗机往往还要求具备过失速机动和超音速巡航的能力。因此，现代战斗机一般采用中等到大后掠和相对厚度很小的机翼，而且机头也很细长。这类飞机的特点是在不大的迎角时即发生分离，而且为旋涡流型。如何利用旋涡空气动力的特点，发挥它的潜力，成为现代飞机设计的一个重要课题。在 60 年代，瑞典的 SAAB-37 战斗机采用近距鸭式布局，成功地将旋涡空气动力学应用在飞机设计上，这种布局的特点是大后掠得鸭面
11、涡与三角翼的流动产生有利干扰，推迟机翼分离，增大迎角的升力，减小阻力，对提高机动性有明显的好处。在此以后，世界各国对近距鸭式布局进行了广泛和深入的研究，主要围绕充分发挥旋涡流型的优点和抑制它的缺点。1903 年莱特兄弟发明的第一架飞机就是将纵向操纵面放在机翼之前，也就是现在所说的鸭式布局。那时对空气动力学还缺乏基本的研究，也不了解稳定性的要求。莱特兄弟选用鸭式布局是根据他们的直觉，以为将纵向操纵面放在机翼之前可以得到良好的操纵性。后来的研究表明，这架飞机在纵向和侧向均是不稳定的。但由于鸭面一般失速在机翼之前，有较好的失速保护能力。由于对稳定性和操纵性的了解逐渐深入，后来的飞机都采用正常式布局，
12、即将平尾安排在机翼之后。因为鸭面易于失速，将它作为纵向平衡和操纵的主要面是不利的。而正常布局特别适合于初期的螺旋桨飞机，因为发动机、螺旋桨和驾驶员都在飞机的前部，平尾可以得到很大的力臂，另外平尾处于机翼的下洗场合螺旋桨的滑流中，对平尾的平衡能力和操纵效率起到有利作用。对于静稳定的飞机，中心在气动中心之前，平尾的平衡力方向朝下，对全机来说起降低升力的作用。而鸭式飞机则相反，鸭面的平衡力向上，提高全机的升力。在航空的发展过程中，还是有一些飞机采用鸭式布局，以期能发挥鸭式布局的这种优点。例如 1927 年德国的 Focke-Wulf F19,1942 年美国的Curtiss XP-55，1971 年
13、联邦德国的 Dornier P.471 等。但由于前述原因，鸭式布局始终未得到广泛的应用。很早就知道，对于大后掠的细长机翼，在很小的迎角时气流就自前缘分离形成旋涡，这种分离旋涡是很稳定的，而且随着迎角增大其强度不断增大，产5生很大的涡升力。但细长机翼的低速性能不好，阻力大，起飞着陆性能很差，不能直接应用在强调机动性的战斗机上。着眼于利用细长机翼的旋涡流动，70年代出现了边条机翼的起动布局。它是在机翼的前方加一细长的边条，边条在大迎角时大幅度地提高全机的升力和减小阻力。这种明显提高大迎角升力的作用是边条旋涡本身的增升及与其后机翼流畅有利干扰的结果。边条机翼气动布局是旋涡空气动力应用的一个典型例子
14、，它取得很大的成功。美国和前苏联的空中优势战斗机如 F-16、F-18、米格 29 和苏 27 都采用边条机翼的布局。三角翼分离和涡流的数值模拟研究将在以下几个方面取得进展：（1） 、适合于三角翼分离及涡流模拟研究的低耗散、高分辨率的 CFD 计算格式，这将是精确模拟的基础，最近出现的 AUSM、CUSP 等低耗散格式表现出了出色的分辨率，当然还必须发展边界点与内点精度一直的边界处理方法。（2） 、分离和涡流的精细模拟和图像处理方法：高精度的计算方法、高质量的计算网格是精细模拟的前提，而涡流的后处理一直是一个难以解决的问题，同三维矢量场的显示一样，三维涡流的空间显示到目前仍无法解决，这大大限制
15、了涡流的研究进展。实际上，对于同一涡流问题，采用不同的显示剖面或截面，可能得出不同的结论，这在国内外已经引发了多次争论。（3） 、非定常涡流的数值模拟：这是一个很有潜力、目前人类认识有限的研究领域，甚至被比喻为“空气动力学的新曙光” 。由于计算机的飞速发展和CFD 的不断进步，非定常涡流的数值模拟有可能取得重大突破。实际上，近几年来，美国等西方发达国家已经在这方面进行了大量研究，取得了一些成果，如以外发现的自由分离剪切层的非定常涡配对和脱落、飞行昆虫和鸟类非定常涡控制的模拟研究等等，这些研究虽然都是初步的，但也是鼓舞人心的。对于非定常涡运动研究的目的在于实现优化的涡控制甚至智能化涡控制，这无疑也是一个很有潜力的方向。涡流是古老而又年轻的问题，它的研究会给人类带来新的曙光，而 CFD 这门年轻而又富有朝气的学科将为其发展注入新的活力。我们相信，有那么一天，人类会像飞鸟昆虫一样充分利用非鼎昌旋涡所聚集和吸收的高能量进行更快、更好、更安全、也更自由的飞行。1 夏学湔,邓学蓥.工程分离流动力学M.北京：北京航空航天出版社,61991:1-3392 阎超，李亭鹤，黄贤禄.三角翼上分离及涡流的数值模拟J.力学进展，2001 年，31(2),pp:227-2443 方宝瑞.飞机气动布局设计M.北京：北京航空工业出版社，1997：1-1326
