三维大变形薄翼面复杂绕流湍流机理研究

Research on turbulence mechanism in a complex flow around a thin airfoil with large 3D deformation and aerodynamic characteristics is one of the most urgent problems for many kinds of national major needs (e.g., high-altitude long-endurance solar aircrafts, nuclear submarine composite propellers and ultra large wind turbine blades). Coupling between thin airfoil and complex flow results in a non-linear large 3D deformation (bending, torsion) in structure, which makes flow much more complex and has significant effects on boundary layer, characteristics of unsteady complex flow around airfoil and aerodynamic characteristics. This project aims to reveal characteristics and laws of unsteady complex flow around a large-aspect-ratio thin airfoil with large 3D deformation, and its dependence on structure deformation and movement, in order to predict all kinds of complex flows around thin airfoils and aerodynamic characteristics and hence provide a theoretical support for development of national major needs. Thus, experimental research is proposed for three key scientific issues: (1) effects of large 3D deformation on flow boundary layer (separation, reattachment, formation and burst of separation bubble, transition, etc.), characteristics of complex flow around a thin airfoil (vortex formation length, quasi-periodical vortex street, vortex street width, etc.) and aerodynamic characteristics; (2) effects of different incoming flow conditions (Reynolds number, turbulence intensity, gust, attack angle, etc.); (3) effects of complex moving/vibrating deformation boundary.

三维大变形薄翼面复杂绕流湍流机理和气动特性是众多国家重大需求（如高空长航太阳能飞机、核潜艇复合材料螺旋桨、超大型风力发电机叶片等）必须解决的的关键问题。薄翼面与复杂流动的耦合使结构产生非线性三维大变形（弯曲、扭转），该变形结构使流动更为复杂，对流动边界层、非定常复杂绕流特征和气动特性都有显著影响。本项目旨在揭示伴随三维大变形大展弦比薄翼面的非稳定复杂流动特征、规律，及其与结构变形和运动的关系，使预测薄翼面复杂流动和气动特性成为可能，为国家重大需求的发展提供理论支持。为此，提出实验研究并解决以下科学问题：（1）薄翼面三维大变形对流动边界层（分离、再附着、分离泡形成及其破碎、转捩等)、复杂绕流特征（大涡形成长度、准周期涡阶产生、涡街宽度等）和气动特性的影响规律；（2）不同来流条件(雷偌数、湍流度、阵风、攻角等）的影响规律；（3）薄翼面复杂运动/振动变形边界的影响规律。

研究工作主要包含了三部分：(1)预研中完成了对二维刚性薄翼面（机翼）在不同攻角、湍流度和雷诺数下的边界层转捩、非定常复杂绕流特征和气动特性的研究。(2)研究了两端固支弹性薄翼面、一端固支一端铰支薄翼面和悬臂弹性薄翼面在不同攻角和雷诺数下的气动特性，结构振动特性和流场变化特征。(3)结合数值模拟和实验方法，开创性地研究了静态三维大变形薄翼面的边界层转捩、非定常复杂绕流特征和气动特性。.主要成果和结论有：(1)将二维刚性机翼的绕流结构归纳为八种类型，清晰展示了不同雷诺数区域内边界层转捩、绕流特征。(2)对于弹性机翼，因变形影响，相比于传统刚性机翼振动，其表现出特有的性质：(a)两端固支机翼在一定条件下出现弯扭变形振动，其中扭转振动频率f1t的变化非常微小，弯曲振动频率f1b则受变形影响而随无量纲风速变化。结合 “瑞利-里兹”法分析得到了预测f1b的简洁公式。(b)利用ARMA理论计算了两端固支弹性机翼受风振动时的系统阻尼（包括结构阻尼和反映非线性流固耦合特征的流体阻尼），揭示了系统阻尼对弯扭振动幅度的影响。(c)一端固支一端铰支机翼的弯曲变形深受扭转变形的影响。因扭转变形沿展向非对称分布，机翼最大挠度在偏离翼中0.1倍展长处出现。(d) 悬臂弹性薄翼面在实验中出现了三种振动模式：经典颤振、失速颤振和抖振。经典颤振通常在低攻角条件下出现，而本实验中经典颤振是在攻角增大到接近失速角时出现。振动过程中没有流动分离，且振动幅度微小。机翼在高攻角时因涡脱落产生的随机抖振表现出多阶振动模态。已有的文献资料鲜有对失速后机翼随机抖振的实验研究，本项目的工作为此提供了参考资料。(e)系统地揭示了弹性薄翼面在不同支撑条件下变形振动与流场的相互作用。 (3)对于弯扭变形后的刚性机翼，与无变形时相比，其升力曲线失速段近乎消失，升力历经了低攻角的增长段后直接进入后失速的增长段，为机翼设计提供了新思路。(4)开发了由光纤光栅传感器测量的应变重构机翼弯曲变形和扭转变形的新测量方法。