向正平, 戴玉婷,*, 黃廣靖

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191;2.北京航空航天大學(xué) 航空器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191)

0 引 言

飛機(jī)在飛行過程中，經(jīng)常會受陣風(fēng)的影響而發(fā)生顛簸，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致飛機(jī)損壞甚至發(fā)生較為嚴(yán)重的事故[1]。因此，飛機(jī)必須通過陣風(fēng)響應(yīng)檢驗(yàn)才能交付使用，而合理確定陣風(fēng)載荷并減緩陣風(fēng)影響對于確保飛機(jī)飛行安全具有重大意義[2-4]。近年來，楊俊斌、吳志剛[5]等利用能產(chǎn)生連續(xù)正弦陣風(fēng)的葉柵型陣風(fēng)發(fā)生器，設(shè)計(jì)風(fēng)洞試驗(yàn)，對大展弦比飛翼布局的飛機(jī)開展了陣風(fēng)減緩主動(dòng)控制試驗(yàn)研究。宗寧[6]開展了陣風(fēng)載荷減緩風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證載荷減緩方案設(shè)計(jì)的有效性。DAI Y T[7]等對飛機(jī)模型陣風(fēng)減緩方法的魯棒性進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。

以上研究表明陣風(fēng)發(fā)生器是研究陣風(fēng)響應(yīng)和陣風(fēng)減緩的必備裝置，其作用是在風(fēng)洞里模擬陣風(fēng)，并作為飛機(jī)防陣風(fēng)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝備，在國內(nèi)外得到了有效發(fā)展[8-10]。傳統(tǒng)陣風(fēng)發(fā)生器有葉柵型陣風(fēng)發(fā)生器[11]、級聯(lián)式震蕩翼型[12]、帶擺動(dòng)襟翼的固定翼型[13-14]、帶震蕩噴射襟翼的固定翼型、帶有循環(huán)控制的翼型[15]等，目前應(yīng)用比較廣泛的為葉柵型陣風(fēng)發(fā)生器。這些傳統(tǒng)的陣風(fēng)發(fā)生器存在高頻振動(dòng)明顯、機(jī)械控制復(fù)雜、所需電機(jī)功率較大等缺點(diǎn)。因此需要機(jī)械控制簡單、可靠性高的新式陣風(fēng)發(fā)生器。而旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風(fēng)發(fā)生器在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)陣風(fēng)發(fā)生器的不足，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前該型陣風(fēng)發(fā)生器主要用于低速風(fēng)洞試驗(yàn)。

旋轉(zhuǎn)開槽圓筒機(jī)構(gòu)最早用于顫振激勵(lì)，而后用于陣風(fēng)發(fā)生器機(jī)構(gòu)。在顫振激勵(lì)方面國內(nèi)研究較多，許和勇[16]等對這種新型顫振激勵(lì)系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了一種高效、簡便的動(dòng)網(wǎng)格方法，計(jì)算了該激勵(lì)系統(tǒng)工作時(shí)的非定常氣動(dòng)力特性。王濤[17]等研究了該激勵(lì)系統(tǒng)的工作原理和激勵(lì)力特性。楊智春[18]等研究了該系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性。劉志榮[19]等研究了開縫圓柱縫隙傾斜角對脫落渦的影響。D.M.Tang[8]等對該型陣風(fēng)發(fā)生器做了理論和試驗(yàn)研究，分析了陣風(fēng)產(chǎn)生的機(jī)理及陣風(fēng)與圓槽旋轉(zhuǎn)頻率之間的關(guān)系。

以上研究工作主要集中在開縫圓柱機(jī)構(gòu)附近的流場特性。且作為陣風(fēng)發(fā)生裝置，盡管理論研究和試驗(yàn)研究取得了巨大進(jìn)步，但該裝置若要成功應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)，還有許多問題有待研究。本文研究的主要目的是分析該裝置在下游產(chǎn)生的流場幅值和頻率特性，研究結(jié)果對于該型陣風(fēng)發(fā)生器試驗(yàn)裝置的合理設(shè)計(jì)具有一定意義。

1 旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風(fēng)發(fā)生器

旋轉(zhuǎn)開槽式陣風(fēng)發(fā)生器裝置的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足陣風(fēng)幅值要求，該陣風(fēng)發(fā)生器由四片相同的葉片組合而成[20]。每片葉片由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的開槽圓筒和固定直機(jī)翼組成。當(dāng)流體流過機(jī)翼并經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的開槽圓筒時(shí)，在圓筒后緣會產(chǎn)生類似正弦變化的陣風(fēng)。機(jī)翼的升、阻力系數(shù)與圓筒旋轉(zhuǎn)的角度、圓筒到機(jī)翼尾部的距離及圓筒的開槽角度有關(guān)[21]。忽略兩葉片之間的干擾,選取一片葉片建模，進(jìn)行流場分析。由于葉片的截面相同且機(jī)翼和圓筒較長,故可用二維模型來模擬。二維模型圖如圖2所示。翼型為NACA0012對稱翼型，弦長c=305 mm，翼型尾部到圓筒左端距離e=24.4 mm，圓筒外徑76.2 mm，厚度9.6 mm，開縫角度90°。

圖1 陣風(fēng)發(fā)生器裝置

圖2 單片葉片的二維模型圖

2 計(jì)算網(wǎng)格和方法

2.1 網(wǎng)格劃分

采用OpenFOAM開源CFD軟件來建模和數(shù)值分析。OpenFOAM是一個(gè)在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行的CFD類庫。它是一個(gè)完全由C++編寫的面向?qū)ο蟮腃FD類庫，支持多面體網(wǎng)格，可以處理復(fù)雜的幾何外形。研究人員可根據(jù)需要編寫自己的求解器。這里采用了OpenFOAM中的AMI (Arbitrary Mesh Interface)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，旋轉(zhuǎn)角速度可設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的模擬過程。網(wǎng)格劃分采用OpenFOAM中的blockMeshDict字典程序控制，劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。劃分的整體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示，圖4為翼型附近局部加密網(wǎng)格，圖5為旋轉(zhuǎn)圓筒部分網(wǎng)格。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

在慣性坐標(biāo)系下，非定常積分形式的Navier-Stokes表達(dá)式為：

(1)

圖3 整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖4 翼型附近網(wǎng)格

圖5 旋轉(zhuǎn)圓筒處網(wǎng)格

其中U表示單位體積質(zhì)量、能量和動(dòng)量表示的通量，F(xiàn)和FV分別表示無黏流通矢量和有黏流通矢量，Ω(t)為運(yùn)動(dòng)控制體積，S(t)為運(yùn)動(dòng)控制體積的表面積。

采用有限體積法進(jìn)行空間離散，二階迎風(fēng)格式，時(shí)間推進(jìn)采用隱式方法，湍流模型為k-wSST湍流模型，該模型能很好地處理流動(dòng)分離[22]。

在圓筒旋轉(zhuǎn)的過程中，機(jī)翼和圓筒上會產(chǎn)生非定常氣動(dòng)力。旋轉(zhuǎn)開槽圓筒陣風(fēng)發(fā)生器的等效升力系數(shù)[5]計(jì)算方法為：

(2)

式中dLa、dLrsc分別為翼型和開槽圓筒上的升力，c為翼型弦長，d為圓筒外徑，ρu2為動(dòng)壓。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 等效升力系數(shù)計(jì)算

為準(zhǔn)確模擬陣風(fēng)發(fā)生器的下游流場特性，需首先數(shù)值模擬旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風(fēng)發(fā)生器的等效升力系數(shù)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。圖6、圖7分別為圓筒旋轉(zhuǎn)20°(以圖2位置為起點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))時(shí)的壓力、速度云圖。中心線位置在圖6中劃出，來流方向沿x軸正方向。中心線上下兩側(cè)為側(cè)向位置，以圓筒中心為起點(diǎn)，沿x軸正向?yàn)橄掠瘟鲌觥?/p>

圖6 旋轉(zhuǎn)角20°時(shí)的壓力云圖

圖7 旋轉(zhuǎn)角20°時(shí)的速度云圖

在旋轉(zhuǎn)角度0°～180°范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算獲得等效升力系數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖8所示。圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)從文獻(xiàn)[8]中獲得，OpenFOAM仿真數(shù)據(jù)為本文CFD數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可見,等效升力系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化類似正弦變化，分別在20°左右和70°左右達(dá)到峰值，最大幅值約為0.4。結(jié)果表明CFD計(jì)算的等效升力系數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了求解器的正確性。

圖8 等效升力系數(shù)CFD模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3.2 下游流場分析

3.2.1 旋轉(zhuǎn)圓筒對流場的影響

首先，開槽圓筒的旋轉(zhuǎn)方向?qū)ο掠瘟鲌鎏匦杂忻黠@影響。當(dāng)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，在陣風(fēng)發(fā)生器下游離圓筒中心距離0.6 m處，中心線兩側(cè)等距位置處產(chǎn)生的陣風(fēng)(y方向的擾動(dòng)速度)有明顯差別。以旋轉(zhuǎn)頻率5 Hz、來流速度20 m/s、中心線兩側(cè)0.25 m處為例，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖可知，上側(cè)產(chǎn)生的陣風(fēng)比較紊亂，下側(cè)產(chǎn)生的陣風(fēng)正弦特性較好,陣風(fēng)響應(yīng)不對稱是由擾動(dòng)速度的初值引起的。當(dāng)改變圓筒旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，結(jié)果正好相反，中心線上側(cè)陣風(fēng)正弦特性較好，下側(cè)比較紊亂，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。圓筒旋轉(zhuǎn)方向不同導(dǎo)致上下產(chǎn)生的擾動(dòng)陣風(fēng)不對稱，當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，對上側(cè)擾動(dòng)陣風(fēng)的干擾較大，陣風(fēng)的正弦特性變差。當(dāng)圓筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，情況正好相反。

圖9 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)中心線上側(cè)陣風(fēng)隨時(shí)間響應(yīng)

圖10 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)中心線下側(cè)陣風(fēng)隨時(shí)間響應(yīng)

其次，旋轉(zhuǎn)圓筒對中性線附近流場干擾明顯。在中心線兩側(cè)較近的位置，離中心線側(cè)向距離約0.2 m以內(nèi)的范圍，產(chǎn)生的陣風(fēng)比較紊亂，隨著遠(yuǎn)離中心線位置，陣風(fēng)的正弦特性越來越好。同樣以旋轉(zhuǎn)頻率5 Hz、來流速度20 m/s為例，在陣風(fēng)發(fā)生器下游離圓筒中心距離0.6 m、中心線下側(cè)位置0.15 m和0.35 m處，陣風(fēng)隨時(shí)間的響應(yīng)分別為圖12、圖13所示。

圖11 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)中心線上側(cè)陣風(fēng)響應(yīng)

圖12 中心線下側(cè)0.15 m處陣風(fēng)隨時(shí)間的響應(yīng)

圖13 中心線下側(cè)0.35 m處陣風(fēng)隨時(shí)間的響應(yīng)

對比圖12和圖13可知，雖然離中心線越近，最大陣風(fēng)幅值越大，但是陣風(fēng)正弦特性很差，這主要是由于開槽圓筒旋轉(zhuǎn)過程中，對中心線附近的干擾比較大所致。

3.2.2 下游流場位置對陣風(fēng)幅值的影響

首先，在不同旋轉(zhuǎn)頻率下，比較了陣風(fēng)幅值隨側(cè)向距離的變化規(guī)律，比較結(jié)果如圖14所示。圖中分別計(jì)算了旋轉(zhuǎn)頻率1～8 Hz的狀態(tài)，獲得一致的規(guī)律，即側(cè)向位置離中心線越遠(yuǎn)，陣風(fēng)幅值逐漸遞減。

其次，在不同頻率下，比較了陣風(fēng)幅值隨下游距離的變化規(guī)律，比較結(jié)果如圖15所示。圖中畫出了旋轉(zhuǎn)頻率5 Hz和6 Hz下的變化。由圖可知，距離圓筒中心越遠(yuǎn)，陣風(fēng)幅值逐漸遞減。

以上結(jié)果表明，中心線側(cè)向位置和流場下游位置離旋轉(zhuǎn)圓筒越遠(yuǎn)，陣風(fēng)幅值越小。

圖14 陣風(fēng)幅值隨側(cè)向位移的響應(yīng)

圖15 陣風(fēng)幅值隨下游位移的響應(yīng)

3.2.3 減縮頻率對陣風(fēng)幅值的影響

計(jì)算了在低速不同狀態(tài)下的減縮頻率，都獲得了一致規(guī)律，但在0.2～0.25減縮頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)突變的內(nèi)在機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖16 陣風(fēng)幅值隨減縮頻率的響應(yīng)

圖17 頻率7 Hz時(shí)陣風(fēng)隨時(shí)間的響應(yīng)

4 結(jié) 論

通過對旋轉(zhuǎn)開槽圓筒式陣風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值模擬和流場分析，得以下結(jié)論：

1)開槽圓筒的旋轉(zhuǎn)方向?qū)χ行木€上下兩側(cè)流場產(chǎn)生不同影響，且對中心線附近的流場干擾較大。

2)側(cè)向位置離中心線越遠(yuǎn)，陣風(fēng)幅值越小，下游離圓筒中心越遠(yuǎn)位置，陣風(fēng)幅值越小。

3)陣風(fēng)幅值的變化與減縮頻率有關(guān)，在減縮頻率0.2～0.25時(shí)陣風(fēng)正弦特性最佳。但對于出現(xiàn)突變的內(nèi)在機(jī)理還有待深入研究。

從前景來看，這種陣風(fēng)發(fā)生器具有耗能少、激勵(lì)頻率寬、幅值可控、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。對該型陣風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。