[科普中国]-气动翼缝

襟翼翼缝相对宽度对翼型气动性能影响研究研究介绍

空气动力学理论与实验均表明，失速是翼型效率降低的主要因素，为此，许多学者提出了旨在消除或推迟流动分离从而延迟失速的方法。受空中和水中动物通过拍打翅膀或尾翼控制涡流改善前行性能的启发，基于仿生学提出了带有摆动小翼( 又称襟翼) 的开槽叶片设计方法，并对其进行了研究。襟翼又分固定襟翼和摆动襟翼，固定襟翼的概念源于在低雷诺数下获得高升力的应用； 摆动襟翼，是襟翼周期性地绕俯仰轴摆动。襟翼偏转增加了后缘的弯度，因此襟翼的实质就是通过改变翼型的弯度使流场发生改变，从而达到控制流场的作用。

研究表明，在某些情况下襟翼的偏转降低了翼型的失速攻角，因此襟翼的偏转将会改变升力和阻力特性。采用固定襟翼控制气流流动的思想由PAGE和GLAUERT于1920年提出，其目的是在相对较低的速度下获得较高的升力。WEYL对分离式襟翼的早期研究做出过重大贡献，其采用实验证明了襟翼表面涡的非有序流动。1927年，FOWLER发明了以其名字命名的富勒襟翼，并在NASA风洞中进行了测试实验，结果表明，采用富勒襟翼机翼的升力系数可提高85% ～ 95%，有关研究还表明一些大面积富勒襟翼的升力系数可提高110% ～ 140% 。自此，出现了各种结构的分离式襟翼，如简单襟翼、容克式襟翼和古奇襟翼等。

相关报告研究了应用于垂直轴潮汐能发电机叶片的固定襟翼和摆动襟翼对输出功率的影响，分析了襟翼的摆动对风力机流场的影响，得出襟翼能够增加叶轮的功率系数、大攻角下可延迟失速的结论。还有研究通过实验方法验证了襟翼具有改变翼型周围主涡的发展和变化的作用，粒子成像实验清晰地展示了襟翼的摆动对改变翼型周围涡发展的情况。基于S-A湍流模型针对多段翼型的非定常流动实验研究表明，缝翼压力面具有一定的涡量变化，前缘缝翼、襟翼与尾迹涡干扰在一起，形成升力的周期性变化。部分研究仅对带襟翼的翼身组合体进行数值模拟，主要验证了压力曲线的区别是源于数值计算中网格数对计算结果的影响。采用襟翼翼型进行不同攻角实验模拟，得出压力分布和翼型上的分离流，但并未说明造成这种现象的原因和结论。上述有关襟翼的研究工作，证实了襟翼对翼型周围流场结构和翼型的升、阻力特性有影响，但是针对襟翼的几何特性没有做详细的研究，仅对襟翼处于某一固定位置进行分析研究。

通过在叶片尾缘附近布置襟翼，少量流体被迫通过襟翼翼缝从高压区域流向低压区域，高压、高动量流体将其能量传递给叶片上表面附近边界层，使得充分发展的边界层破碎，并重新形成新的边界层。这种方法可以有效降低边界层附近湍流度，并推迟边界层在尾缘处的脱离，从而减少流动损失。由上可知，襟翼对流场的作用相对于基准翼型是流动扰流几何尺寸的改变，因此对于由襟翼组成的流动，襟翼长度w和翼缝宽度d( 见图1) 自然成为襟翼结构的重要参数。该研究中采用数值模拟研究不同襟翼相对长度w /c及不同翼缝相对宽度d /c时的气动性能及所对应的流场结构。1

研究结果基于S-A湍流模型对襟翼不同相对长度及翼缝相对宽度下翼型周围流场结构以及翼型升、阻力性能曲线研究，结果表明：

（1）带襟翼翼型的失速攻角均大于基准翼型；在攻角达到失速攻角前，带襟翼翼型的升力系数均小于基准翼型，阻力系数均高于基准翼型； 但升力系数的最大值均高于基准翼型。可见襟翼具有延迟翼型失速的特点。

（2）在翼缝流体入口端，主翼末端存在一个涡流，随着翼缝相对宽度d /c增大，该涡流范围逐渐扩大； 在襟翼前端有局部的压力升高，随着翼缝相对宽度d /c增大，该局部高压范围扩大。

（3）在小攻角下，由于翼缝的存在，导致在主翼与襟翼的连接处有局部压力升高区; 在大攻角情况下，襟翼翼缝相对宽度的大小对翼型上下表面压差影响较大，随着d /c的增大，主翼末端与襟翼前端的压力差均逐渐增大。

（4）襟翼相对长度和翼缝相对宽度共同影响翼型的气动性能，w /c = 0.3，d /c = 1.0%时，在小攻角下，翼型的升力系数相对较高，升力系数的峰值最大；此时襟翼对翼型气动性能效果较佳。1

翼缝宽度对翼型水动特性的影响研究介绍近年来，因工业和科技的快速发展，全球对能源需求日益增大，使得可再生能源再次成为世界各国关注的焦点；潮汐能对气候影响的不敏感性，以及其在时间与空间的可预测性，使得潮汐能在各种海洋可再生能源中具有极大的优越性；潮汐能是指由潮汐现象所引起的海水流动能，每天周期性的改变其大小和方向。仅我国沿海，潮汐能理论平均功率就高达13.9万MW。

潮流能利用的主要形式为潮汐能发电，垂直轴水轮机能适应多方向往复潮流，自启动性能好，备受国内外学者的关注，而潮流水轮机叶片所用翼型为水轮机能量捕获的关键所在；流体动力学理论与实验研究均表明，失速是翼型效率降低的主要因素，失速的出现主要是由于叶片旋转到大攻角位置时的流动分离。为此许多学者提出了大量旨在消除或推迟流动分离从而延迟失速的方法。

通过在叶片尾缘布置襟翼，少量流体被迫通过襟翼翼缝从高压区域流向低压区域，高压、高动量流体将其能量传递给叶片上表面附近边界层，使得充分发展的边界层破碎，并重新形成新的边界层。这种方法可以有效降低边界层附近湍流度，并推迟边界层在尾缘处的脱离，从而减少升力损失。由上可知，襟翼对流场的作用相对于基准翼型是流动扰流的几何尺寸改变，因此对于由襟翼组成的流动，襟翼长度 l和宽度x如图 2所示自然成为襟翼结构的重要参数。该研究采用数值模拟研究不同襟翼长度 l时的水动性能及所对应的流场结构，分析不同翼缝宽度对NACA0018水动特性的影响。2

研究结果基于SST k － ω湍流模型，计算不同翼缝宽度对翼型水动特性的影响，数值计算结果表明：

（1）当翼型处于小攻角时，翼缝宽度主要影响翼型尾缘压力面高压区范围大小，对低压区范围影响较小； 当翼型处于大攻角时，翼缝可减少翼型尾缘涡的数量，并且缩小了尾缘涡范围，对压力面高压区与吸力面低压区范围影响较大；

（2）当翼缝宽度w = 0.1% c时，翼型水动特性最优。翼缝的存在改变了翼型压力面与吸力面的静压力，静压力均有所升高，翼型x /c = 0. 7附近，翼型表面出现压力高峰，这是翼型水动特性升高的主要因素。2