旋成體表面溝槽減阻試驗(yàn)研究

陳 瑩，陳迎春，黃 煒，胡仞與，姚開(kāi)明，王福新

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200235；2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

民機(jī)減阻一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)師關(guān)注的課題，降低阻力即可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，又可以達(dá)到節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)飛機(jī)阻力減小1%時(shí)，直接運(yùn)營(yíng)成本可降低0.2%，油耗可節(jié)省1.6%～2%。

飛機(jī)減阻的技術(shù)手段有很多種，包括層流控制、采用激波控制裝置、翼尖裝置等手段進(jìn)行減阻；上世紀(jì)70年代通過(guò)對(duì)石油管路湍流減阻的研究，NASA蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)順流向的微小溝槽表面能有效地降低壁面摩阻，從而引發(fā)表面溝槽減阻技術(shù)的研究熱潮［1］。最先開(kāi)展的是溝槽平板湍流減阻的研究，并得出結(jié)論最佳的溝槽設(shè)計(jì)形式為對(duì)稱(chēng)的V型溝槽，且當(dāng)其高度h和間距s的無(wú)量綱尺寸h＋≤25和s＋≤30時(shí)具有減阻特性［2－3］；隨后溝槽減阻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于翼型［4］以及全機(jī)試驗(yàn)［5－8］的研究中，并基本達(dá)成共識(shí)，溝槽的尺寸h＋＝8～15和s＋＝15時(shí)減阻效果最佳，可降低湍流摩擦阻力3%～8%。

目前國(guó)外的溝槽減阻技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到工程實(shí)用階段，空中客車(chē)公司將A320試驗(yàn)機(jī)表面積的70%貼上溝槽薄膜，達(dá)到了節(jié)油1%～2%的效果。而我國(guó)對(duì)溝槽減阻技術(shù)的研究起步較晚，且研究工作主要集中在平板減阻方面，上世紀(jì)90年代曾進(jìn)行了運(yùn)七機(jī)翼、尾翼表面溝槽減阻試驗(yàn)研究，并得出結(jié)論當(dāng)設(shè)計(jì)雷諾數(shù)與試驗(yàn)雷諾數(shù)比較接近時(shí)，機(jī)翼上粘貼減阻溝槽薄膜時(shí)取得了5%～8%的減阻效果［7］。近年來(lái)由美鋁公司提出使用鋁基溝槽蒙皮對(duì)民機(jī)機(jī)身進(jìn)行減阻，而由于加工工藝等因素限制，鋁基溝槽蒙皮的齒寬與齒高關(guān)系通常為s＝2h，這種情況下，溝槽蒙皮粘貼在機(jī)身上，減阻效益有多大仍需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。作者采用旋成體模型模擬簡(jiǎn)化機(jī)身，選擇在旋成體等直段上粘貼鋁基溝槽蒙皮的形式，進(jìn)行溝槽蒙皮對(duì)機(jī)身阻力影響的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 風(fēng)洞及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)哈爾濱空氣動(dòng)力研究所的FL－9低速風(fēng)洞進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為4.5m（寬）×3.5m（高）×10m（長(zhǎng)），湍流度ε≤0.1%。試驗(yàn)中側(cè)滑角β＝0°，迎角范圍為－3°～9°，試驗(yàn)風(fēng)速為30～70m／s，間隔10m／s，以旋成體最大直徑為參考長(zhǎng)度的試驗(yàn)Re數(shù)范圍為0.266×106～0.93×106。

試驗(yàn)使用的是8T90－01內(nèi)置桿式天平，其中阻力方向的最大載荷為120N，綜合加載精度為0.6%。試驗(yàn)過(guò)程中由VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)采用橢球頭加等直段及整流尾段形式的旋成體模型，具體尺寸參數(shù)見(jiàn)圖1。模型采用尾撐方式支撐，通過(guò)尾支桿與內(nèi)式應(yīng)變天平相連。試驗(yàn)中選用新型鋁基溝槽蒙皮粘貼在模型的等直段上，順氣流方向布置，溝槽覆蓋面積占模型總表面積的75.6%。

圖1 模型外形圖（單位：mm）Fig.1 Sketch of the model（unit：mm）

1.3 試驗(yàn)方法

表面溝槽僅能對(duì)湍流流動(dòng)起到減阻效果，所以在橢球頭部粘貼了鋸齒狀金屬條帶轉(zhuǎn)捩帶，并使用萘升華流動(dòng)顯示方法，確認(rèn)了轉(zhuǎn)捩帶后方為湍流流動(dòng)狀態(tài)。為了提高試驗(yàn)精度，采取5次測(cè)量取平均的方式進(jìn)行試驗(yàn)，文中數(shù)據(jù)都是平均后的結(jié)果。文中阻力系數(shù)CD選取模型的表面積S為參考面積。

2 溝槽參數(shù)選取

新型鋁基溝槽蒙皮外形如圖2所示，試驗(yàn)中保持溝槽參數(shù)θ＝60°不變，改變溝槽的高度h和寬度s。減阻效益與h和s的無(wú)量綱值h＋和s＋密切相關(guān)，h和s無(wú)量綱公式見(jiàn)公式（1）和（2）［2－3］。

式中：ν為動(dòng)量粘性系數(shù)；u＊為剪切速度。

式中：Re＊為模型表面當(dāng)?shù)貑挝焕字Z數(shù)；Cf＊為當(dāng)?shù)啬Σ亮ο禂?shù)。

依據(jù)上面的方法，近似使用宏觀外流場(chǎng)的單位雷諾數(shù)ReL＝1和摩擦力系數(shù)Cf計(jì)算溝槽尺寸的無(wú)量綱值。Cf選用平板湍流邊界層摩阻系數(shù)，見(jiàn)公式（5）。根據(jù)公式（1）、（2）、（3）和（4）可以推導(dǎo)出溝槽尺寸無(wú)量綱值h＋和s＋與ReL＝1之間的關(guān)系，見(jiàn)公式（6）和公式（7）。

試驗(yàn)取等直段長(zhǎng)度為參考長(zhǎng)度，x＝1300mm，根據(jù)上述公式以及風(fēng)洞雷諾數(shù)條件，選擇2種s＝2h和1種s＝1.5h的蒙皮進(jìn)行試驗(yàn)，具體尺寸參數(shù)及其無(wú)量綱后的值見(jiàn)表1。

圖2 模型表面溝槽示意圖Fig.2 Sketch of riblet geometry

表1 溝槽蒙皮的尺寸及其無(wú)量綱值Table1 Riblet height and spacing

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3（a）給出了風(fēng)速為40m／s時(shí)模型基準(zhǔn)狀態(tài)（No Riblet）與帶有不同尺寸溝槽時(shí)的阻力特性曲線(xiàn)對(duì)比。模型表面溝槽對(duì)阻力隨迎角的變化規(guī)律沒(méi)有影響，但阻力值發(fā)生較大的變化，使用粘貼有溝槽蒙皮的模型阻力CDR與光滑模型阻力CDS的比值表征溝槽對(duì)阻力量的影響，可以得到圖3（b）、（c）和（d）三幅曲線(xiàn)。

圖3 CDR／CDS隨迎角的變化Fig.3 Variation of CDR／CDSwith angle of attack

試驗(yàn)結(jié)果顯示，s＋越小相同迎角下的模型阻力越小；在s＋小于25時(shí)，溝槽可實(shí)現(xiàn)減阻；而當(dāng)s＋大于25時(shí)，所有迎角下溝槽都會(huì)帶來(lái)增阻效果，尤其是流動(dòng)分離以后（α＞5°），由于溝槽齒的存在會(huì)加劇流動(dòng)分離，使阻力明顯增大，可達(dá)到10%～12%。3個(gè)尺寸的溝槽蒙皮中，Riblet1（h＝75μm，s＝150μm）的減阻效果最好，在h＋＝7、s＋＝14時(shí)最大減阻量為3.22%。試驗(yàn)中溝槽覆蓋面積占模型表面積的75.6%，按摩擦阻力占總阻力的90%估算，可推算出溝槽表面具有減小4.5%摩擦阻力的作用。

試驗(yàn)中選用的溝槽尺寸關(guān)系是s＋＝2h＋和s＋＝1.5h＋，溝槽寬度的無(wú)量綱值大于高度的無(wú)量綱值。以Riblet1為例，在整個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)h＋均小于15，但只有s＋小于25時(shí)溝槽才具有減阻效果，最大減阻量也是出現(xiàn)在s＋＝15附近。已有的文獻(xiàn)結(jié)果表明減阻最佳效果是在h＋＝8～15和s＋＝15時(shí)［3］，由此說(shuō)明減阻效果直接受限于寬度和高度兩個(gè)參數(shù)中偏大的一個(gè)。

CDR／CDS隨迎角表現(xiàn)為勺型變化，減阻量隨迎角先增大后減小，s＋越小能夠減阻的迎角范圍越大，最大減阻量出現(xiàn)在α＝2°。模型迎角變化實(shí)際上是改變了氣流與溝槽間的夾角，因?yàn)槟Ｐ筒捎玫氖禽S對(duì)稱(chēng)的旋成體，α＝2°和－2°理論上應(yīng)該是完全相同的狀態(tài)，可以認(rèn)為溝槽方向與來(lái)流方向夾角小于3°時(shí)減阻能力最強(qiáng)。

圖4 減阻量隨溝槽寬度s＋的變化曲線(xiàn)Fig.4 Variation of drag reduction with s＋

圖4給出了α＝0°和3°時(shí)，不同高度的Riblet帶來(lái)的阻力變化量隨s＋的變化曲線(xiàn)。其中Riblet2（h＝150μm，s＝225μm）和 Riblet3（h＝150μm，s＝300μm）兩個(gè)溝槽高度相同，寬度不同，得到的ΔCD～s＋曲線(xiàn)基本上是交疊的，由此可以看出，采用的溝槽尺寸的無(wú)量綱公式（6）和（7）是合理的，溝槽減阻效果與其尺寸的無(wú)量綱參數(shù)密切相關(guān)。此外，由于s＋是Re數(shù)的函數(shù)，圖4顯示的規(guī)律即為減阻量隨Re數(shù)的變化趨勢(shì)，說(shuō)明Re數(shù)不同時(shí)為實(shí)現(xiàn)減阻應(yīng)采用不同尺寸的溝槽，而真實(shí)飛行中Re數(shù)變化范圍很大，所以溝槽減阻技術(shù)僅適用于長(zhǎng)航程飛行器，如民用飛機(jī)巡航階段減阻。

4 結(jié) 論

使用文中公式（6）和公式（7）進(jìn)行溝槽高度和寬度設(shè)計(jì)是合理的，并分析得出溝槽尺寸的無(wú)量綱值對(duì)阻力的影響如下：

（1）當(dāng)溝槽尺寸的無(wú)量綱值h＋、s＋均小于25時(shí)，可以減小表面磨擦阻力；

（2）當(dāng)s＋約為15、溝槽方向與來(lái)流方向夾角小于3°時(shí)，可得到最大約3%～4%的減阻量；

（3）在小迎角下減阻量隨迎角變化先增大后減?。?/p>

（4）當(dāng)h＋或s＋大于25時(shí)，鋁基溝槽減阻材料會(huì)增大阻力，迎角越大增阻越明顯。

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