低雷诺数下NACA0012翼型流动分离特性及与合成射流流动控制研究

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本文采用计算流体力学方法(CFD)数值模拟了雷诺数为Re=1x104条件下,NACA0012翼型流场脱落涡特性与合成射流控制流动分离影响规律。对引起翼型流动分离的脱落涡特性进行了详细的研究,说明了合成射流产生的漩涡对翼型周围流场涡系结构的影响。对深入理解翼型流场涡结构演变规律,使用主动控制抑制流动分离具有重要意义。研究了 0°~24°不同攻角下脱落涡结构变化规律,分别展示了α=5°、α=10°、α=14°、α=16°、α=19°、α=22°下翼型流场附近的脱落涡演变规律。使用频谱分析,定量研究了上述五个攻角对应的脱落涡频率特性,关注频谱曲线的特征频率及频率幅值,分析了相应的尾缘脱落涡频率与翼型升、阻力系数变化趋势的联系。斯特劳哈尔数表明在不同的流场状态下对应的流动稳定性。研究结果表明:随着翼型攻角的增大,流场流动状态会由定常状态变为非定常状态;在周期性尾涡脱落流场中,依据脱落涡的结构和频率,当翼型攻角α>7°时,脱落涡将随着攻角的增大而呈现2S(Single)模式-混沌状态-2S(Single)模式-准周期流动;脱落涡对应波动规律与频谱曲线波动规律有对应关系;随着攻角的增大,脱落涡频率对应的斯特劳哈尔数基本呈降低趋势,不同流场状态斯特劳哈尔数由高到底排序为2S(Single)模式>准周期流动>混沌状态。采用合成射流控制技术,研究了不同攻角下,采用不同频率激励时吹出的漩涡对翼型周围流场涡系结构的影响规律及对应的脱落涡频谱特性。合成射流激励器的安装位置在各个攻角下流动分离点前,其中,α=10°、α=14°、α=16°攻角下,射流激励器的安装位置位于7.6%弦长处;α=19°、α=22°攻角下,射流激励器的安装位置位于1%弦长处。射流的吹出方向为沿翼型切向方向,其中,7.6%弦长处射流方向为12°,1%弦长处射流方向为30°。在合成射流的激励作用下,翼型流场脱落涡的结构发生了相应的变化。射流会导致大部分攻角下的流场形态稳定在2S(Single)模式,小部分攻角下流场形态稳定在混沌状态。对比单个激励频率与组合激励频率的激励函数对合成射流作用效果的影响表明,两种激励函数对升力的贡献作用相同;组合激励频率可以使升力曲线波动更有序,对应的翼型流场状态更接近2S(Single)模式。
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