不同參數對帶粗糙冰翼型繞流流場結構影響的實驗研究

鄭誠毅, 杜旭之, 東喬天, 楊志剛 熊 兵, 徐 毅, 吳凌昊, 金哲巖,

(1. 同濟大學 航空航天與力學學院,上海200092; 2. 中國商用飛機上海飛機設計研究院,上海 201203; 3. 上海市地面交通工具空氣動力與熱環境模擬重點實驗室, 上海 201804;4. 中國航發四川燃氣渦輪研究院,四川 綿陽,621000)

結冰會改變飛機的氣動外形,影響飛機的飛行安全.當飛機飛行在一個低溫且濕度大的環境中,未凍結的過冷水滴會撞擊飛行器表面,通過質量和熱量交換形成冰的吸積.飛機的大部分部件都有可能發生結冰,比如機翼、尾翼、發動機進氣口、天線罩等,嚴重影響飛機的氣動性能,危害飛機的飛行安全[1-4].近年來,過冷大水滴 (Supercooled Large Droplet, SLD) 產生的結冰問題越來越受到人們的關注.由于SLD的飛濺、反彈等特殊現象,液滴會越過防除冰系統的極限,形成更容易造成流動分離的冰脊,并導致飛機過早失速[5].粗糙冰是在過冷水滴積累過程中附著在翼型前緣表面,隨著時間變化而不斷增長的一種特殊冰形.粗糙冰的粗糙度會直接影響到翼型表面的局部對流換熱系數和摩擦系數,它們反過來又會影響到最終冰形.除此之外,粗糙冰會顯著改變翼型輪廓和表面的無黏流場,破壞翼型表面的附著流并影響翼型整體的氣動性能.研究人員已對不同形狀的冰形(角冰、流向冰和展向冰)及其對翼型繞流流場的影響做了大量研究,卻缺乏對粗糙冰存在時翼型繞流流場的實驗研究.因此使用SLD結冰條件下產生的粗糙冰的粗糙度,并且以實驗手段來探究粗糙冰對翼型繞流流場結構的影響,對機翼的防除冰設計來說具有重要的研究價值及實際意義.

文獻[6-7]中研究了冰的粗糙度特征并將帶冰機翼前緣劃分為3個主要區域: 光滑區、粗糙區和羽毛區.研究發現即使在結冰產生的早期階段,粗糙冰的特征高度也大于局部邊界層的厚度,對流動產生破壞.文獻[8-10]中詳細研究了獨立分布的冰粗糙元對邊界層轉變的影響,結果表明邊界層會在冰粗糙元后緩慢過渡成湍流邊界層.Smith等[11]用具有相同氣動效應的均勻沙粒代替冰的粗糙度,發現粗糙元的密度對翼型的氣動性能影響不明顯.Jackson[12]也研究了冰粗糙元大小和密度對翼型氣動力的影響.黃冉冉等[13]對附有流向冰的翼型氣動力進行了數值模擬后發現,在流向冰的冰形表面添加粗糙度會明顯降低翼型的氣動性能.霍西恒等[14]研究發現結冰表面粗糙度很大程度增強了表面的對流換熱效果,影響最終結冰冰形的幾何特征.常士楠等[15]通過受力分析,確定了水膜、水珠和細流特征粗糙度的大小及其之間的界限劃分,發展和完善了結冰表面的粗糙度模型.Mcclain等[16]對過冷大水滴結冰條件下,翼型前緣在短時間內積累的粗糙冰特征高度進行了測量和記錄.在各類翼型和葉型關于粗糙度的研究中,有很多學者選擇砂紙來代替表面粗糙度進行實驗.Milsch[17]采用葉片表面貼砂紙的方法研究了不同粗糙度影響下的二維葉柵損失.Boer等[18]在研究粗糙度的特征高度和在翼型表面分布的位置對翼型最大升力的影響時,使用了砂紙作為研究對象.Dees等[19]使用不同目數的砂紙和規則排布的粗糙度進行了對比研究,結果表明兩者在燃氣輪機葉片吸力側的傳熱和表面摩擦系數方面區別很小.高磊[20]選取了4個型號的砂紙研究了粗糙度量級對壓力機葉片總壓損失攻角特性和氣流折轉角的影響.孫爽等[21]使用3種硅碳化物砂紙來實現3種表面粗糙度,研究了表面粗糙度對低壓渦輪葉型損失及附面層特性的影響.

雷諾數對翼型氣動性能的影響通常隨著冰的粗糙度大小而改變.Hoerner等[22]探索了雷諾數對具有前緣粗糙度的NACA0012翼型最大升力的影響,結果表明雷諾數的降低會導致翼型最大升力略微降低.Broeren等[23]研究表明,光滑翼型的最大升力系數對雷諾數和馬赫數有很強的依賴性,對于冰翼結構,雷諾數和馬赫數對最大升力系數的影響很小.此外,Rafael等[24]在實驗條件限制下選取1.5×105到2.8×105范圍的雷諾數研究了不同類型的角冰對翼型性能的影響.

現有研究對冰的粗糙度形成機理[6-7]、幾何特征[6-7, 14]及其對邊界層的影響[8-13]做了解釋,對于在實驗中如何表征冰的粗糙度也開發了相應的等效粗糙度模型[15].此外,也有學者記錄了過冷大水滴結冰條件下冰的粗糙度數值[16].但關于結冰初期粗糙冰對于翼型氣動特性影響的研究比較缺乏,已有研究主要以數值模擬的方式來進行,通過風洞實驗獲得的翼型繞流流場結構數據較少.本文使用粒子圖像測速(PIV)技術在風洞中獲取翼型繞流流場的信息,并以翼型前緣的粗糙冰的粗糙度和攻角作為控制變量,來探索翼型在過冷大水滴結冰條件下,粗糙冰的粗糙度對不同攻角下翼型繞流流場結構產生的影響.同時還研究了在0° 攻角和特定粗糙冰條件下,雷諾數的改變對翼型繞流流場結構的影響.

1 實驗方法

本項研究所開展的流場測量實驗是在一個低速直流式風洞內進行的.該風洞具有一個450 mm×450 mm截面的試驗段,試驗段的四側為可替換的光學玻璃.該風洞試驗段的上游有一個收縮段和相應的整流段,用來提供均勻、穩定的氣流.實驗所用翼型模型如圖1所示,為不銹鋼材質的NACA0012翼型,弦長150 mm,展長250 mm,表面經過拋光處理,并通過一系列支撐結構和攻角結構將翼型模型布置在風洞試驗段的中心位置.翼型模型前緣黃色部分為安裝砂紙的區域,砂紙覆蓋機翼前緣直至33.77 mm弦長處.本項研究所采用的實驗裝置如圖2所示.同步器連接照相機、激光器和計算機,計算機通過控制同步器來協調并驅動激光和照相機完成拍攝.導光臂能夠將激光器發出的點光源轉換成片光源.

圖1 翼型模型Fig.1 Airfoil model

圖2 PIV實驗裝置Fig.2 Experimental facility of PIV

砂紙的表面粗糙度具有弱隨機性,在某種程度上與冰的粗糙度達成一致.在現有的等效粗糙度理論支持下,通過多次測量求平均的手段得到的砂紙粗糙度可以表征冰的粗糙度.這在實驗中是一種即經濟又有效的方式[17-21].Mcclain等[16]的研究表明,在過冷大水滴結冰條件下,弦長為533 mm的NACA0012翼型模型上短時(94 s內)結冰的粗糙元的峰谷差集中在500 μm以下,且分布在距翼型前緣120 mm的區域內.使用表面粗糙度儀器對不同目數的砂紙的垂直方向上的粗糙度(Rz)進行了測量,多次測量求平均值后如表1所示.由于本項研究的翼型弦長為150 mm,通過等比縮放并考慮安裝的可行性,最終選擇180目、220目、280目和360目砂紙代替粗糙冰進行實驗,同時設置沒有砂紙的光滑翼型作為對照組.實驗所用雷諾數包括8.64×104、1.08×105和1.3×105,實驗攻角包括0°、2°、5°、7°、9° 和12°.經測量,在實驗所使用的的雷諾數范圍內,風洞來流湍流度小于0.5%,滿足實驗所需精度.下文中以砂紙表征冰的粗糙度均以砂紙的型號表述.

表1 砂紙目數與Rz的關系Tab.1 Relation between mesh of sand paper and Rz

2 雷諾數對R1型粗糙冰作用下翼型流場的影響

取雷諾數Re=8.64×104,1.08×105,1.3×105,使用180目砂紙來代替R1型粗糙冰,在翼型的攻角為0° 的條件下進行實驗.探索了雷諾數的不同對翼型繞流流場的流線圖、展向渦量和標準化雷諾應力分布的影響.

圖3為R1型粗糙冰作用下不同雷諾數的流線圖.圖中:X為實際流場的橫坐標;Y為實際流場的縱坐標;C為翼型弦長.從圖中可以看出各雷諾數條件下,氣流在翼型前方的流線大體沿來流方向.氣流流過翼型上表面的流動以附著流為主,未產生分離.說明實驗采用的雷諾數未對氣流的流動分離產生明顯影響.

圖3 R1型粗糙冰作用下不同雷諾數的流線圖Fig.3 Streamline of R1 rough ice at different Reynolds numbers

圖4為R1型粗糙冰作用時不同雷諾數條件下的展向渦量圖.從圖中可以看出渦量在翼型的上表面和前緣并沒有產生.正值渦量產生于翼型尾部的上方,負值渦量產生于翼型尾部的下方,形成兩條渦量條帶.隨著雷諾數的增加,渦量條帶在X軸方向上的長度顯著增加,且愈發清晰可見.流場中其他區域的渦量無明顯區別.

圖4 R1型粗糙冰作用下不同雷諾數的渦量圖Fig.4 Spanwise vorticity of R1 rough ice at different Reynolds numbers

圖5所示為不同雷諾數條件下X/C×100=-101 處尾流截面的渦量值對比.從圖中可以看出,以翼型弦線為中心,上方的渦量呈現正值,下方的渦量呈現負值,與渦量云圖相符.不同雷諾數條件下的渦量值均在Y/C×100=0附近發生了劇烈波動,且Re=1.3×105時渦量的極值明顯大于其他兩個雷諾數.說明雷諾數不改變該截面處渦量在Y軸方向上的變化趨勢,但在一定程度上,雷諾數的增加會使尾流的渦量值增加.

圖5 不同雷諾數條件下X/C×100=-101截面的渦量對比Fig.5 Spanwise vorticity comparison of section X/C×100=-101 at different Reynolds numbers

圖6所示為Re=1.3×105時R1型粗糙冰作用下的標準化雷諾應力圖.從圖中可以看出,在翼型的周圍無明顯的雷諾應力的產生.在實驗條件下,不同雷諾數時,流場的標準化雷諾應力分布沒有明顯的區別.

圖6 Re=1.3×105時R1型粗糙冰作用下的標準化雷諾應力圖Fig.6 Normalized Reynolds stress of R1 rough ice at Re=1.3×105

圖7為不同雷諾數條件下X/C×100=-101 處尾流截面的雷諾應力數值對比.從圖中可以看到Re=8.64×104時雷諾應力的波動最為劇烈,其最小值為-0.026,最大值為0.045,均大于其余兩個雷諾數條件下的雷諾應力,Re=1.3×105時波動最小.說明雷諾數在翼型前緣覆粗糙冰情況下,影響了該截面處尾流的標準化雷諾應力分布,且隨實驗雷諾數增大,標準化雷諾應力減小.

圖7 不同雷諾數條件下X/C×100=-101截面的雷諾應力對比Fig.7 Normalized Reynolds stress comparison of section X/C×100=-101 at different Reynolds number

3 不同粗糙冰情況下攻角對翼型流場的影響

使用180目(R1型,Rz=158 μm)、220目(R2型,Rz=131.4 μm)、280目(R3型,Rz=119.4 μm)和360目(R4型,Rz= 94.6 μm)的砂紙代替不同的粗糙冰,選取0°、2°、5°、7°、9° 和12° 共6個攻角,在Re=1.3×105的條件下進行實驗,同時設置沒有砂紙(Rz=0 μm)的光滑翼型作為對照組,探索不同粗糙冰情況下攻角對速度場、展向渦量分布和標準化雷諾應力分布的影響.

圖8為0° 攻角時不同粗糙冰條件下的速度場(v).從圖中可以看出,速度場以翼型為軸對稱分布.翼型前緣處和后緣尾流的速度最小,上翼面表面的速度最大,并向外逐漸減小.不同粗糙冰條件下的速度場分布非常相近,無粗糙冰情況下的尾流相對更加平滑、穩定.

圖8 不同粗糙冰條件下的速度場Fig.8 Velocity of different rough ice

表2提取了各粗糙冰作用下翼型上表面氣流速度的最大值和該最大值發生處的X軸坐標.從中可以看出,除R3型粗糙冰數據以外,粗糙度的存在降低了流場中氣流速度的最大值,且最大值發生的位置也向翼型尾端移動.R1型粗糙冰作用下流場中氣流速度的最大值僅為光滑翼型時的90.2%.流場中氣流速度的最大值越小意味著流場的平均速度越小,因此翼型上表面壓力值也越小.由此可見,粗糙冰的存在會影響翼型的升力,且粗糙度越大,對升力的破壞越嚴重.

通過對比各粗糙冰作用下翼型繞流流場的展向渦量分布和標準化雷諾應力分布也可以發現粗糙冰使會使尾流流動變得紊亂且具有旋度的流動區域增大.但在所有粗糙冰中,R4型粗糙冰作用下翼型繞流流場分布與光滑翼型最為相近.因此,引入攻角對R4型粗糙冰和光滑翼型情況下的流場進行下一步分析.

圖9為光滑翼型和R4型粗糙冰作用下不同攻角的流線圖.由圖可見,在0° 和9° 攻角下,氣流在翼型前方的流線大體沿來流方向.氣流流過翼型上表面的流動以附著流為主,并未產生分離.在12°攻角下,氣流從翼型前緣往后緣運動的過程中,不再附著在壁面上,邊界層發生分離,出現回流并形成了分離泡.圖9很好地反映了翼型隨攻角增大而產生的流動分離過程.表3所示為分離泡特征表.由表可見,帶粗糙冰的翼型氣流分離發生在X/C×100=-18處,而光滑翼型發生在X/C×100=-19處,說明粗糙冰會誘導氣流提前分離,且提前量為1%的翼型弦長.同時可以發現,粗糙冰的存在降低了分離泡的寬度,帶有粗糙冰的分離泡左極限在X/C×100=-121 處,而光滑翼型情況下分離泡左極限在X/C×100=-126 處.結合氣流的分離點可以發現,粗糙冰存在時氣流會提前產生分離,但整體分離泡的寬度小于光滑翼型情況下.對比兩種情況下流線圖中分離泡的結構可以發現,光滑翼型的分離泡內流動較規則,而粗糙冰存在時分離泡中心區域的流線有一定程度的波動.

表3 分離泡特征表Tab.3 Feature of separated bubble

圖9 光滑翼型和R4型粗糙冰作用下不同攻角的流線圖Fig.9 Streamline of clean airfoil and R4 rough ice at different angles of attack

圖10為光滑翼型和R4型粗糙冰作用下12° 攻角時的渦量云圖.從圖10中可以看出,無論有無粗糙冰,正值渦量始于翼型前緣,負值渦量始于翼型尾緣.通過提取數據發現,光滑翼型情況下,渦量的最小值為-5.33 s-1,發生在X/C×100=-103.25截面處;渦量的最大值為8.165 s-1,發生在X/C×100=-4.38 截面處.R4型粗糙冰情況下,渦量最小值為-3.94 s-1,發生在X/C×100=-102.27 截面處;渦量最大值為7.645 s-1,發生在X/C×100=-4.38 截面處.由此可見,粗糙冰的存在對渦量最大值發生的位置沒有影響,但略微影響了渦量最小值發生的位置.從渦量最大值和最小值的數值來看,粗糙冰存在時,無論是正值渦量還是負值渦量均小于光滑翼型情況下的具體數值.

圖10 光滑翼型和R4型粗糙冰作用下12° 攻角時的渦量Fig.10 Spanwise vorticity of clean airfoil and R4 rough ice at a 12° angle of attack

圖11給出了不同流場截面處,光滑翼型和R4型粗糙冰的渦量值對比.在圖11(a)所述截面下,光滑翼型尾流的渦量絕對值明顯大于粗糙冰存在時.由圖11(b)可見,在X/C×100=-20 截面處兩組數據的渦量分布差別不大.由此可見在氣流發生大分離的情況下,粗糙冰不改變翼型前緣產生的正值渦量在Y軸方向上的變化趨勢:隨著Y軸坐標增加,渦量值先略微減小再快速增加,最后快速降到零值.粗糙冰也不會改變翼型尾緣產生的負值渦量在Y軸方向上的變化趨勢,但與光滑翼型相比,粗糙冰會使渦量的絕對值減小.

圖11 不同粗糙冰流場截面的渦量對比Fig.11 Spanwise vorticity comparison of different rough ices

圖12為光滑翼型和帶粗糙冰翼型在4個攻角下的標準化雷諾應力分布.從圖中可以看出,在攻角為0°、2° 及5° 條件下,粗糙冰對標準化雷諾應力的分布無明顯影響.從7° 攻角開始,由于砂紙具有一定厚度且和翼型表面不是平滑過渡,率先產生了應力.在攻角為12° 時,氣流產生了大分離,砂紙厚度帶來的誤差消失,標準化雷諾應力的分布也歸于近似.由此可知砂紙的厚度不影響小攻角(0°,2°,5°)和氣流產生分離的大攻角(12°)時標準化雷諾應力的分布.

圖12 光滑翼型和R4型粗糙冰作用下6個攻角下的標準化雷諾應力Fig.12 Normalized Reynolds stress of clean airfoil and R4 rough ice at six angles of attack

圖13為X/C×100=-120處截面的標準化雷諾應力分布對比,可見該截面處標準化雷諾應力的負值區域分布類似,正值區域內在Y/C×100=0附近差別較大,粗糙冰的存在降低了正值區域的雷諾應力.從圖9(d)中可見,標準化雷諾應力分布有差異的區域在分離泡與外界層流的交界處.粗糙冰存在導致該處標準化雷諾應力減小,氣流流動相較光滑翼型更為平穩,從另一個角度解釋了粗糙冰在12° 攻角下會使分離泡的左極限相較光滑翼型更靠近翼型前緣.

圖13 X/C×100=-120截面的標準化雷諾應力分布對比Fig.13 Normalized Reynolds stress comparison of section X/C×100=-120

4 結論

探索粗糙冰對翼型氣動力的影響對飛機的防/除冰設計來說具有非常重要的價值和意義.目前,對粗糙冰的研究以數值模擬為主,本文使用PIV技術在風洞內獲取翼型繞流流場信息,使用砂紙表征粗糙冰的粗糙度.通過改變雷諾數、粗糙冰的粗糙度和翼型攻角,分析了速度場、流線圖、渦量分布、標準化雷諾應力分布及相關信息的進一步提取.主要研究結論如下:

(1) 實驗使用的雷諾數未對帶R1型粗糙冰的翼型繞流流場的流動分離產生明顯影響.雷諾數的增加不影響翼型尾流的渦量在Y軸方向上的變化趨勢,但會增大尾流的渦量數值.雷諾數影響了翼型尾流處的標準化雷諾應力分布,雷諾數越大則分布越均勻,尾流的流動越平穩.

(2) 帶有不同粗糙冰的翼型流場在相同雷諾數和攻角條件下,氣流流動的速度最大值隨著粗糙度增大而減小,最大值的位置也更靠近翼型尾端,翼型的升力受到的影響就越大.從渦量云圖和雷諾應力云圖來看,粗糙冰的存在使尾流流動變得紊亂且具有旋度的流動區域增大.

(3) 與光滑翼型相比,在12° 攻角下帶R4型粗糙冰的翼型繞流流場中氣流提前分離,且提前量為1%的翼型弦長.粗糙冰作用下分離泡的寬度更小,中心位置的流動更紊亂.從渦量云圖和標準化雷諾應力云圖來看,粗糙冰不影響12° 攻角下渦量和雷諾應力在Y軸方向上的變化趨勢,但降低了相應的數值,解釋了粗糙冰作用下分離泡寬度更小的原因.