临近空间低雷诺数螺旋桨翼型与桨叶非定常机制及控制研究

The laminar separation bubble at low Reynolds number makes the flow around propellers and corresponding aerodynamic performance behave unsteady/nonlinear characteristics. But the knowledge about the flow mechanism and the physical mechanism of this phenomenon is rather few, which is an important reason for the difficulty to improve the aerodynamic efficiency of propellers in near space. Unfortunately, it is almost impossible to completely simulate the near space environment with low pressure and low density by wind tunnel test, while there are also key issues on transition prediction model in numerical methods. In this project, accurate numerical methods are used to simulate the unsteady flow at low Reynolds number and investigate the flow control method. The researches are mainly consist of: 1) several transition models for flow with laminar separation bubbles will be studied; 2) the characteristics of laminar separation bubbles on airfoils at low Reynolds number will be deeply analyzed, including the generation and evolvement history, the stability characteristics and the unsteady mechanism. The rules of how airfoil geometry influences unsteady mechanism will be also explored, and the study of how to control these unsteady mechanism for airfoils will be carried out at low Reynolds number; 3) the characters of laminar separation bubbles on propeller blade under centrifugal force will be investigated, then the laws of how rotational effect influences low Reynolds number flow will be studied. Finally, accurate analytical procedures and scientific basis for the design of high performance propeller in near space will be provided after all of the above researches accomplished.

低雷诺数层流分离泡会导致螺旋桨绕流与气动力呈现非定常/非线性特征，对该现象的流动机理和物理机制认识不足是临近空间螺旋桨气动效率难以显著提高的重要原因。现有风洞实验技术很难完全模拟临近空间低压低密度环境，而含层流分离泡的流动转捩判断是目前数值方法尚未完全解决的难点问题。本项目拟在提高流动求解精度的基础上，采用数值方法开展低雷诺数非定常流动机制及控制方法研究。主要研究内容为：1）适用于含层流分离泡流动的转捩判断模型研究；2）深入分析翼型低雷诺数层流分离泡的形成、演变和稳定性等行为特征，揭示翼型低雷诺数流动的非定常机制。深入探讨翼型几何外形对非定常机制的影响规律，并开展翼型低雷诺数非定常机制的控制方法研究；3）探讨螺旋桨桨叶低雷诺数层流分离泡在离心力作用下的行为特征，揭示桨叶旋转效应对低雷诺数流动的影响规律。通过上述研究，为临近空间高效螺旋桨气动设计提供精确分析方法和科学依据。

高空飞艇、长航时无人机等临近空间低动态飞行器具有重要的军事和民用价值，为了达到数天甚至数月的长期驻空要求，具有高推进效率的螺旋桨成为临近空间低动态飞行器的最主要推进方式。临近空间环境下的大气密度低，导致螺旋桨绕流的雷诺数低，通常在30万以内。低雷诺数流动的主要特征是层流和层流分离主导流动、气动力非线性变化、升阻特性下降等。本项目基于所建立的低雷诺数流动分析模型，揭示了低雷诺数层流分离泡的行为特征和非定常机制，并提出了层流分离的控制方法。研究成果为发展高性能低雷诺数翼型、提高临近空间螺旋桨的气动效率提供理论依据。项目完成的主要研究工作有：.（1）通过发展多种流动转捩模型（线性稳定性分析结合eN的方法、γ-Reθ模型和动模态分解结合eN的方法），实现了低雷诺数层流分离、转捩的精确模拟，提高了翼型、桨叶气动力的预测精度。通过低雷诺数翼型和螺旋桨等典型算例，验证了所发展的求解程序的有效性。.（2）开展了压缩性对翼型低雷诺数层流分离泡流动和气动力的影响研究，结果表明：马赫数增大，升力系数随时间变化的振幅增大，非定常效应增强；攻角增加，翼型升阻力系数随时间变化的最大值、最小值以及振幅均增大；翼型上表面转捩点位置随马赫数和攻角的增加而前移；高马赫数时翼型上表面层流分离点较低马赫数后移，形成后缘分离现象；下表面层流分离点较低马赫数前移，且形成的分离泡更长、更大。.（3）基于LES方法，开展了翼型层流分离泡的形成机制及影响因素研究。与RANS方法比，大涡模拟方法可以捕捉更精细的非定常分离涡，获得更多的流动细节，在研究翼型低雷诺数层流分离泡和转捩的产生、演化和发展等物理机制方面是一种更有效可靠的手段。.（4）开展了低雷诺数翼型气动优化设计与非定常机制控制方法研究。优化翼型的层流分离区明显减小，流动稳定性更好；详细分析研究了多种不同构型的低雷诺数勺形特殊翼型系列，通过精细化设计的勺形特殊翼型在雷诺数10万以内的条件下层流分离出现在后缘，非定常现象不显著，具有良好气动性能。最后通过风洞试验验证所发展的低雷诺数流动转捩预测方法和非定常控制方法的有效性。