[发明专利]低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法、机翼及飞行器

说明书

本发明公开了一种低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法、机翼及飞行器，包括步骤：根据雷诺数范围选择一个初始翼型；通过NURBS描述初始翼型的整体几何形状，通过控制点改变初始翼型的外形，在初始翼型的表面形成凹槽；翼型控制点坐标取值，进行拉丁超立方采样组合，生成不同形状的翼型样本；利用带转捩模型的快速分析工具，对翼型样本的气动特性进行分析；通过多目标遗传优化算法，对不同雷诺数范围内的流动条件同时进行减阻优化，挑选出多个对设计目标偏好不同的优化翼型；利用计算流体力学方法计算优化后的翼型，分析层流分离泡是否控制在凹槽中；选择层流分离泡控制效果最好的翼型。本发明能够设计出有效控制层流分离转捩的位置和区域的翼型。

技术领域

本发明涉及低雷诺数下翼型设计领域，尤其是涉及一种低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法、机翼及飞行器。

背景技术

气动力学中，雷诺数是气体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲数。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流。反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场。随着气流流经的几何表面的距离变长，雷诺数增加，层流开始向湍流转变，转变的过程称为转捩。在数万至数十万量级的低雷诺数范围内，气体层流转捩过程中更不稳定，通常还伴随着分离再附着的层流分离泡现象。

因此，在低雷诺数下对复杂的层流分离转捩现象进行有效的控制，进而减少阻力，提高飞行性能，是小型、低速飞行器发展的迫切需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法，能够设计出有效控制层流分离转捩位置的翼型。

本发明还提出一种机翼。

本发明还提出一种具有上述机翼的飞行器。

根据本发明的第一方面实施例的低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法，包括以下步骤：

根据雷诺数范围选择一个初始翼型，在选择初始翼型时，根据翼型的实际工作条件确定所需的雷诺数范围，并按照雷诺数和设计升力系数相匹配的原则选择初始翼型；通过NURBS描述初始翼型的整体几何形状，通过控制点改变初始翼型的外形，在改变初始翼型的外形时，保持曲率连续，在初始翼型的表面形成凹槽；翼型控制点坐标取值，进行拉丁超立方采样组合，生成不同形状的翼型样本；利用带转捩模型的快速分析工具，对翼型样本的气动特性进行分析；通过多目标遗传优化算法，对翼型样本的几何参数进行选择、交叉变异，当迭代收敛时，进行下一步的计算流体力学分析；当迭代发散时，返回上一步，进行气动特性分析，以对不同雷诺数范围内的流动条件同时进行减阻优化，挑选出多个对设计目标偏好不同的优化翼型；利用求解非定常RANS方程的计算流体力学方法计算优化后的翼型，分析层流分离泡是否控制在凹槽中；对比与选择层流分离泡控制效果最好的翼型。

根据本发明实施例的低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法，至少具有如下有益效果：通过NURBS方法参数化初始翼型，有利于准确模拟翼型的几何外形；通过生成不同形状的翼型样本，并通过后续的气动特性分析和减阻优化，可选出优化翼型；通过计算流体力学方法，分析层流分离泡是否控制在凹槽中，可选出层流分离泡控制效果最好的翼型；层流分离泡位于凹槽内，即表示层流转捩发生在凹槽中，层流转捩位置稳定，层流分离泡不会随着来流变大，有效避免了气动性能急剧恶化的情况，气动性能稳定；此外，层流分离泡被控制在凹槽内，分离泡和翼型的几何外形组成的等效外形光滑，减阻效果好。

根据本发明的一些实施例，所述快速分析工具为带层流转捩分离分析功能的粘性边界层与无粘耦合的快速分析程序。

根据本发明的第二方面实施例的机翼，根据上述的低雷诺数下层流分离控制减阻设计方法制得，所述机翼的表面设置有凹槽，所述凹槽用于容纳层流分离泡。