楊美，楊韡，楊志剛

地效翼地面粘性效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究

楊美，楊韡，楊志剛

(同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804)

為深入研究地面效應(yīng)機(jī)理及地效翼空氣動力特性，在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的空氣動力-氣動聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)對地效翼模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。首先，根據(jù)地效翼空氣動力特性及風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰?，對風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì);其次，在風(fēng)洞試驗(yàn)中利用移動路面模擬系統(tǒng)和六分力天平測量系統(tǒng)，研究了地面粘性效應(yīng)對地效翼空氣動力的影響和地效翼空氣動力特性。研究結(jié)果表明:固定地面附近邊界層流動不僅與地效翼的高度有關(guān)，還與迎角有關(guān);與移動地面相比，固定地面下測得的升力和阻力偏低，且由于固定地面邊界層受氣墊效應(yīng)影響，失速延后。通過地效翼風(fēng)洞試驗(yàn)研究揭示了移動路面模擬的重要性，并深入分析了地效翼空氣動力特性，為地效飛行器空氣動力設(shè)計(jì)和研究提供了參考。

地面效應(yīng);粘性;風(fēng)洞試驗(yàn);移動帶;空氣動力

0 引言

當(dāng)飛行器接近地面或水面飛行時，升力增大，阻力減小，升阻比急劇升高，這種現(xiàn)象稱為地面效應(yīng)。地效飛行器正是一種利用地面效應(yīng)提高升阻比的高速運(yùn)載工具。早在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)就開始進(jìn)行地效飛行器的研究和設(shè)計(jì)工作，并取得豐碩的成果。近年來，地效飛行器引起世界多個國家的重視，紛紛開展研究工作［1-2］。

對地面效應(yīng)及其空氣動力特性的研究手段一般有:理論方法、風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)艇實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。其中，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬是現(xiàn)今地面效應(yīng)研究中最主要的兩個手段。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，研究者應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法對地效翼的定常和非定?？諝鈩恿μ匦宰隽嗽S多研究工作［3-5］。這些研究工作為地面效應(yīng)研究和地效飛行器的開發(fā)提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，但同時也受到數(shù)值計(jì)算自身缺陷的限制，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度在計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展過程中一直備受關(guān)注。風(fēng)洞試驗(yàn)研究是地面效應(yīng)機(jī)理及地效翼空氣動力特性研究的重要組成部分［6］。然而，目前對地面效應(yīng)的研究大多采用數(shù)值模擬的手段。這是因?yàn)?一方面，數(shù)值模擬效率高，并且可以滿足流動的相似準(zhǔn)則;另一方面，多數(shù)風(fēng)洞不具備移動路面模擬系統(tǒng)，風(fēng)洞試驗(yàn)周期長、成本高。鑒于此，本文對地面效應(yīng)進(jìn)行了更深入的實(shí)驗(yàn)研究，以豐富地面效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)手段揭示地面效應(yīng)機(jī)理。

風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的空氣動力-氣動聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行。該風(fēng)洞為3/4開口式回流風(fēng)洞，具備移動路面模擬系統(tǒng)。本研究首先根據(jù)地效翼空氣動力特性和風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰Φ匦б砗椭Ъ苓M(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì);然后對地效翼進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了地效翼空氣動力特性和地面粘性效應(yīng)對地效翼空氣動力的影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 地效翼模型設(shè)計(jì)

上海地面交通工具風(fēng)洞中心的空氣動力-氣動聲學(xué)風(fēng)洞裝備有六分量天平和五帶移動路面模擬系統(tǒng)。五帶移動路面系統(tǒng)能夠較為真實(shí)模擬地面運(yùn)動。移動帶長7000mm，寬1100mm。

為了充分利用移動帶并準(zhǔn)確模擬地效翼近地面運(yùn)動，地效翼模型展長應(yīng)在1100mm以內(nèi);同時地效翼模型應(yīng)盡量采用大的弦長，以充分體現(xiàn)地面效應(yīng)，便于測量氣動力。與常規(guī)飛行器相比，地效飛行器的展弦比較小，一般在2～6之間。地效翼模型的設(shè)計(jì)一方面要考慮地效翼所受的空氣動力和測量誤差，另一方面要考慮地面效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性。風(fēng)洞試驗(yàn)地效翼翼型選用NACA0012，弦長c=400mm，并設(shè)定了2個不同的展弦比:AR=2、AR=2.5，同時還設(shè)計(jì)了端板。模型以AR=2的地效翼為基礎(chǔ)，可在兩側(cè)增加展長和端板以改變地效翼的氣動布局，模型如圖1所示。地效翼相對端板的安裝角度為6°。

1.2 地效翼載荷評估

上海地面交通工具風(fēng)洞中心的空氣動力-氣動聲學(xué)風(fēng)洞中配備的六分量天平主要是用于整車及大尺寸地面交通工具縮比模型的空氣動力測量，其精度高，量程大。六分量天平主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其中Fx為阻力，F(xiàn)z為升力。由于受移動帶尺寸的限制，地效翼模型相對較小，空氣動力測量相對誤差將增大。本文首先利用數(shù)值模擬中獲得的地效翼空氣動力與風(fēng)洞試驗(yàn)中的六分量天平量程進(jìn)行對比，以保證所測得的空氣動力在天平的量程范圍內(nèi)。

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)地效翼模型Fig.1Wing-in-ground effect test model

表1 天平主要技術(shù)指標(biāo)Table 1Main parameters of balance

數(shù)值模擬中模型尺寸參考風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，展弦比AR=2.5，無端板，地效翼高度h/c=0.1，迎角:6°～20°。求解定常不可壓N-S方程，湍流模型選用Realizable k-ε模型。動量、湍動能和耗散率的離散化采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度耦合使用simple算法求解。與風(fēng)洞噴口相比，風(fēng)洞試驗(yàn)所用地效翼模型較小，因此數(shù)值計(jì)算中采用半無窮空間計(jì)算域。數(shù)值計(jì)算結(jié)果中地效翼阻力范圍:20～100N，升力范圍: 300～1000N。地效翼所受載荷在六分量天平量程內(nèi)，滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求。

1.3 試驗(yàn)支架設(shè)計(jì)

地效翼模型與天平之間需要通過支架連接。支架的設(shè)計(jì)一方面要求可以對地效翼的高度和迎角進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一方面應(yīng)盡量減小支架對繞地效翼流動的干擾。

風(fēng)洞試驗(yàn)中地效翼高度由風(fēng)洞內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹U調(diào)節(jié)。地效翼迎角由支架中設(shè)計(jì)的搖臂控制(圖2)。搖臂運(yùn)動圓心正對地效翼后緣點(diǎn)。風(fēng)洞試驗(yàn)中通過手動設(shè)置搖臂的位置來改變地效翼的迎角。

在三維地效翼的數(shù)值研究中已發(fā)現(xiàn)翼尖附近由于存在翼尖渦，流動較為復(fù)雜，翼尖渦由翼尖前緣附近開始沿流向逐漸增大［7-9］。但同時翼尖渦在翼尖附近的影響范圍在0.5c以內(nèi)，因此在風(fēng)洞試驗(yàn)中支架與地效翼翼尖之間的距離應(yīng)大于0.5c。風(fēng)洞試驗(yàn)中支架安裝位置距離移動帶邊緣0.5c，在此情況下支架對繞地效翼流動的干擾非常弱，可以忽略。支架通過直徑為10mm的連桿連接地效翼和地板下的天平。地效翼和支架在風(fēng)洞試驗(yàn)中的安裝如圖3所示。

圖2 支架示意圖Fig.2Diagram of support

2 試驗(yàn)設(shè)置

風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速v=50m/s，基于弦長的雷諾數(shù)Re =1.4×106，移動帶速度與風(fēng)速相同，為50m/s。模型通過設(shè)計(jì)的支架固定在天平上，試驗(yàn)中通過支架及天平調(diào)節(jié)地效翼的離地高度和迎角。地面粘性效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究中地效翼模型展弦比AR=2.5，并安裝端板。迎角變化范圍:6°～20°，間隔1°。地效翼無量綱高度:h/c=0.05，h/c=0.1，h/c=0.5。其中，離地高度h為地效翼后緣點(diǎn)到地面的距離。風(fēng)洞試驗(yàn)中移動帶下方設(shè)有一定的吸力以確保移動帶緊貼地面移動。風(fēng)洞試驗(yàn)以地效翼的空氣動力測量為目的，對不同高度、不同迎角下的地效翼分別在移動帶工作和靜止兩種狀態(tài)下的空氣動力進(jìn)行采集。采樣頻率:5Hz，采樣時間:60s。在地效翼空氣動力風(fēng)洞試驗(yàn)研究中忽略了支架與地效翼之間的流動干擾，首先測量地效翼和支架受到的總空氣動力，然后測量支架所受空氣動力，最后根據(jù)公式(1)得到地效翼在不同高度及不同迎角下的空氣動力。其中，F(xiàn)機(jī)翼為地效翼所受空氣動力，F(xiàn)全為試驗(yàn)中測量所得地效翼和支架的總空氣動力，F(xiàn)支架為試驗(yàn)中僅有支架時所測得空氣動力。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

與自由空間相比，地面效應(yīng)下機(jī)翼升力增加、阻力減小，其原因?yàn)闄C(jī)翼下方壓力效應(yīng)和翼展效率提高［10］。圖4-6所示為展弦比AR=2.5帶端板的地效翼在風(fēng)洞試驗(yàn)中測得的空氣動力變化情況。在地效翼與地面之間存在氣墊效應(yīng)，氣流速度減小，壓力升高，地效翼升力明顯增大;隨著離地高度的增加，氣墊效應(yīng)減弱，地效翼升力減小。此外，在地面效應(yīng)下，機(jī)翼的空氣動力隨迎角的改變表現(xiàn)出非線性變化。理論上，由于固定地面附近流動的粘性作用，在地面上會生成具有一定厚度的邊界層。邊界層的位移厚度減小了地效翼風(fēng)洞試驗(yàn)中的有效高度，地面效應(yīng)會變強(qiáng)［11-13］。因此，在不具備邊界層控制系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行地面效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)通常需要對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。修正是建立在平板邊界層理論的基礎(chǔ)上，采用地效翼的有效高度，而非實(shí)際高度。然而，在地效翼的干擾下地面附近邊界層內(nèi)部流動變的更加復(fù)雜，與平板邊界層流動存在差異，甚至在一定條件下會發(fā)生分離［14］。因此，經(jīng)過修正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然存在偏差。移動地面模擬在地效翼風(fēng)洞試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用。

圖4 地效翼空氣動力，h/c=0.05Fig.4Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.05

圖5 地效翼空氣動力，h/c=0.1Fig.5Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.1

圖6地效翼空氣動力，h/c=0.5Fig.6Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.5

圖4 所示為高度h/c=0.05時，地效翼升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化。顯然，在固定地面下表現(xiàn)出的地面效應(yīng)并沒有因?yàn)檫吔鐚拥拇嬖诙鰪?qiáng)。與移動地面狀態(tài)下的空氣動力相比，固定地面下所測得的阻力和升力都偏小;隨著迎角的增大，兩種狀態(tài)下的空氣動力差別逐漸增大;固定地面下地效翼失速推遲，失速迎角約增大了4°。由固定地面下對二維地效翼流動的數(shù)值研究可知:固定地面附近邊界層在發(fā)展過程中受到地效翼與地面之間氣墊效應(yīng)的影響，逆壓梯度增大;當(dāng)?shù)匦б碛窃龃蟮揭欢ㄖ?，前緣附近地面邊界層發(fā)生分離并形成分離泡;分離泡誘導(dǎo)更多來流繞地效翼上翼面流動，繞上翼面流動的逆壓梯度降低，地效翼失速推遲［14-17］。

當(dāng)?shù)匦б砀叨仍黾拥絟/c=0.1時，固定地面粘性效應(yīng)對地效翼空氣動力的影響減小。固定地面下地效翼阻力和升力仍然比移動地面下的阻力和升力小，但差別在逐漸減小。當(dāng)?shù)匦б砀叨仍黾拥絟/c=0.5時，固定地面和移動地面下的升力、阻力均差別不大。從地效翼升力系數(shù)對比情況可以看出，地面邊界層位移厚度對地效翼空氣動力的影響使固定地面下地效翼升力系數(shù)略高于移動地面下地效翼的升力系數(shù)。同時，失速迎角仍然相差1°。這說明固定地面附近邊界層流動不僅與地效翼的高度有關(guān)，還與迎角有關(guān)，固定地面對繞地效翼流動的影響隨著迎角的增加而增大。

4 結(jié)論

(1)移動地面模擬可以真實(shí)再現(xiàn)地效翼與地面間的相對運(yùn)動，有助于地面效應(yīng)機(jī)理風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

(2)在固定地面環(huán)境下，一方面地面附近生成一定厚度的邊界層，影響地效翼空氣動力特性試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性;另一方面，地面附近邊界層內(nèi)流動復(fù)雜，不同于平板邊界層流動，其逆壓梯度受地效翼高度和迎角的影響，在較大的迎角和較小的離地高度下流動會發(fā)生分離，引起繞地效翼流動的變化。

(3)固定地面附近流動的粘性效應(yīng)對地效翼空氣動力特性的影響主要表現(xiàn)為:地面邊界層的發(fā)展隨地效翼迎角及高度發(fā)生變化，這種變化使地效翼升力和阻力降低、失速迎角增大。

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Wind tunnel test of ground viscous effect on wing aerodynamics

Yang Mei，Yang Wei，Yang Zhigang
(Tongji University Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Shanghai 201804，China)

A study on ground effect mechanism and aerodynamic characteristics of wing in ground effect was carried out in Aerodynamics/Aero-acoustic Wind Tunnel of Shanghai Automotive Wind Tunnel Center of Tongji University.Based on aerodynamics characteristics of the wing and the test ability of the wind tunnel，a wind tunnel test was firstly designed.Then an experimental study on ground viscous effect and aerodynamics was carried out by using moving belt system and six-component balance measurement system.It is shown that flow in boundary layer near the fixed ground is related not only to the distance between wing and ground，but also to the attack angle of this ground effect wing.The lift and the drag of the wing are lower while the stall angle is higher than that over a moving ground.Mechanism of ground effect was thoroughly investigated，importance of moving ground simulation was discussed，and the aerodynamics of wing in ground effect was comprehensively analyzed through the experimental studies，which provide important reference for aerodynamic design and research of WIG craft.

ground effect;viscous effect;wind tunnel test;moving belt;aerodynamics

V211.4

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2013.0002

0258-1825(2015)01-0082-05

2013-01-11;

2013-04-19

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB711203)

課題負(fù)責(zé)人:楊志剛，男，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者，E-mail:zhigangyang@#edu.cn

楊美(1988-)，女，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭諝鈩恿W(xué).E-mail:1133223@#edu.cn

楊美，楊韡，楊志剛.地效翼地面粘性效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(1):82-86.

10.7638/kqdlxxb-2013.0002.Yang M，Yang W，Yang Z G.Wind tunnel test of ground viscous effect on wing aerodynamics［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2015，33(1):82-86.