大型飛機(jī)平尾翼尖渦對后體渦系影響的實驗研究

王 笑, 秦蘇洋, 向 陽, 王福新, 劉 洪

(上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院, 上海 200240)

0 引 言

對于軍用、民用大型飛機(jī)，為避免在起飛迎角狀態(tài)下機(jī)身擦地，通常都需要采用上翹后體。在飛行過程中，由于氣流經(jīng)過上翹后體產(chǎn)生橫向流動和邊界層分離，易形成漩渦流動，通常會在后體下表面脫出一對反向旋轉(zhuǎn)的對稱渦結(jié)構(gòu)，稱為“后體脫體渦對”，也可以叫做“后體主渦”[1-2]；在尾翼(尤其是平尾)翼尖位置也會產(chǎn)生渦系結(jié)構(gòu)。這些渦系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生及其在尾跡中的生長演化，會對飛機(jī)的飛行產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力，同時升力也會有一定程度的減小[3-4]。因此，對后體渦系演化機(jī)理展開研究有重要的意義。

對于飛機(jī)后體與尾跡中的渦結(jié)構(gòu)，已有廣泛的研究。Epstein等[5-6]的實驗得到了上翹后體清晰的脫體渦對結(jié)構(gòu)，當(dāng)雷諾數(shù)改變時，渦結(jié)構(gòu)的特征不發(fā)生明顯變化。Gentile等[7]的實驗中，圓柱形的后體比前機(jī)身截面半徑小，在二者交界面產(chǎn)生的脫體渦系沿流向發(fā)展，最后重新附著到后體上，且重新附著的位置隨后體半徑與長度而變化。近些年出現(xiàn)了對C-130運輸機(jī)后體渦系的數(shù)值模擬和實驗研究[8-12],對稱的后體主渦在機(jī)身兩側(cè)分別誘導(dǎo)出了次級渦結(jié)構(gòu)，主渦與次級渦在向下游移動的過程中融合并緩慢消散，同時縱向上移。

對于后體減阻，有許多措施是通過影響后體渦系的演化(降低渦旋強(qiáng)度等)來減小后體阻力的，通常采用渦流發(fā)生器[13]、導(dǎo)流片[14]等方式。Jackson等[15]采用吹氣的方式對后體渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動控制，使后體渦對在演化過程中遠(yuǎn)離后體表面，并且減小了渦核尺寸和渦旋強(qiáng)度。

上述這些研究，或集中于無尾翼的單獨后體模型，或研究有尾翼的實際飛機(jī)后體。實際上，后體模型有無尾翼，尤其是有無平尾，渦結(jié)構(gòu)的演化有著很大不同。平尾的存在，增加了一對平尾翼尖渦以及一些次級渦結(jié)構(gòu)(但后體渦系并不是這些渦結(jié)構(gòu)的簡單疊加)，這些增加的渦結(jié)構(gòu)，從相互作用的機(jī)理上影響了原有后體渦系的演化。

黃濤等[16]通過煙線/激光片光顯示的方法，從流動分離的角度，研究尾翼對后體流動特性的影響，但并未關(guān)注渦結(jié)構(gòu)。Wang等[17]通過數(shù)值模擬方法，研究了簡單上翹后體模型的渦系，得到了典型的四渦結(jié)構(gòu)，對不同平尾布局，渦之間有不同的相互作用模式。

綜上所述，平尾翼尖渦會對后體渦系的演化產(chǎn)生顯著影響，關(guān)于這一問題少有深入的研究；而渦的變化又會影響誘導(dǎo)阻力，因此，研究渦結(jié)構(gòu)與相互作用，對于飛機(jī)減阻設(shè)計來說，有重要意義；利用實驗方法同時研究平尾翼尖渦與后體脫體渦，這樣的嘗試較少，本文將從這一角度，研究渦系的演化與相互作用。

本文基于渦之間的相互作用，采用PIV實驗方法，在風(fēng)洞中對單獨后體和加裝不同展長平尾的后體分別展開實驗，研究平尾產(chǎn)生的翼尖渦(HTV，horizontal tail tip vortex)和后體主渦(APV，afterbody primary vortex)的動力學(xué)特征，重點關(guān)注HTV對APV的影響。

1 實驗方法

實驗在上海交通大學(xué)的回流式風(fēng)洞中進(jìn)行，如圖1所示。風(fēng)洞穩(wěn)定風(fēng)速范圍為5～100m/s，湍流度為0.5%。實驗中使用簡化的飛機(jī)后體模型，采用二維PIV方法，拍攝與來流方向垂直的截面上的流場。

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

Wang等[17]對簡化后體的渦系結(jié)構(gòu)預(yù)先展開了數(shù)值模擬研究，本文用到的機(jī)身模型與其一致，為簡化的無機(jī)翼飛機(jī)機(jī)身，前段為鈍頭旋成體，后段為簡單斜劈的飛機(jī)后體模型。模型總長為660mm，直徑為100mm，其中前段機(jī)身長320mm，后體長340mm，以15°角向上斜切。該模型與Jackson等人研究用到的后體模型也類似[15]。按照后體各幾何參數(shù)的定義[18]，本文后體的長細(xì)比為3.4，收縮比為0.128，扁平度為2.21，上翹角為10.85°。

圖1 回流式風(fēng)洞

本文分別對無平尾的單獨后體、加裝不同展長平尾的后體進(jìn)行了實驗研究。加裝的平尾為簡單的NACA 0012平直機(jī)翼，展長分別為50與100mm(從平尾翼根處開始測量)，弦長60mm，安裝在距離前后機(jī)身分界線50mm的位置(從平尾前緣量起)，前緣位于機(jī)身中心水平面上，安裝角-10°。

因后體脫體渦系產(chǎn)生自斜劈后體的下表面，為避免支撐件對后體流場可能帶來的影響，實驗中將機(jī)身模型上下倒置，采用反向“背撐”的方式支承在風(fēng)洞下壁面上，如圖2所示。

圖2 后體實驗?zāi)Ｐ?/p>

1.2 PIV實驗系統(tǒng)

實驗采用二維PIV方法采集流場信息。一臺雙脈沖Nd∶YAG激光器連續(xù)發(fā)射兩束200mJ的激光，波長532nm。激光從風(fēng)洞上部向下發(fā)射，片光源3mm厚。在下游遠(yuǎn)場處，放置一臺PCO 2000高分辨率CCD相機(jī)(Nikon 100mm 1∶1.4D定焦鏡頭)，拍攝垂直于來流方向的激光截面。示蹤粒子為乙二醇加熱霧化后的顆粒，粒徑1～5μm。

實驗系統(tǒng)如圖3(a)所示。風(fēng)洞截面為1.2m×0.9m矩形，由后體實驗?zāi)Ｐ驮斐傻娘L(fēng)洞阻塞度為1.5%。CCD相機(jī)與激光器通過信號同步器連接，采樣周期為1s，相機(jī)畫幅2048pixel×2048pixel，空間分辨率0.17mm/pixel。

本文的坐標(biāo)系如圖3(b)所示，以機(jī)身尾緣所在的垂直來流的截面為X=0截面，該截面與機(jī)身中心軸線的交點為坐標(biāo)原點。為方便描述實驗結(jié)果，本文將拍攝得到的照片沿X軸旋轉(zhuǎn)180°后再做處理，相當(dāng)于將倒置的飛機(jī)模型翻轉(zhuǎn)回正常的飛行姿態(tài)，即Z軸正方向指向機(jī)身的上表面而非風(fēng)洞的上壁面。

(a) PIV test system

(b) Coordinate system

激光面分別設(shè)置在機(jī)身后體壁面所在截面(X<0)與尾跡截面(X>0)中。對于每一種工況，在壁面階段分別拍攝X=-60、-120、-180、-240、-300mm等5個截面，即X/L=-0.18、-0.35、-0.53、-0.71、-0.88，L為后體部分軸向長度(340mm)；在尾跡階段拍攝X/L=0、0.5、1.0……3.5等8個截面。

對于每個截面，均連續(xù)拍攝不少于200對粒子圖像，進(jìn)行PIV后處理，然后再將200對圖像得到的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到本文結(jié)果。

實驗分別在20、25和30m/s風(fēng)速下進(jìn)行，基于后體軸向長度的雷諾數(shù)分別為4.37×105、5.46×105、6.55×105，機(jī)身迎角為0°。平尾展長分別為0(無平尾)、50和100mm。實驗的工況如表1所示。

2 實驗結(jié)果

2.1 單獨后體的渦系結(jié)構(gòu)

圖4展示了無平尾的單獨后體在25m/s工況下的實驗結(jié)果。

表1 實驗工況表Table 1 List of test conditions

如圖4(a)所示，在X/L=-0.88截面，后體兩側(cè)流體就已經(jīng)開始向下卷積，此時尚未形成完整的渦結(jié)構(gòu)。如圖4(b)所示，在X/L=-0.53截面，可觀察到清晰對稱的后體主渦(APV)結(jié)構(gòu)，此時渦對尚未脫離后體下表面，直到X/L=-0.18截面，APV脫離表面，并繼續(xù)向上移動。

圖4(c)為尾跡階段不同截面的渦量云圖。圖中虛線圓為機(jī)身在該截面的投影。如圖所示，隨著流向發(fā)展，APV有明顯的向上移動的趨勢。

需要指出的是：盡管APV在理論上是一對左右對稱的渦[17]，但實際的APV，由于其非定常特性，在實際空氣中受到湍流、側(cè)風(fēng)以及模型安裝誤差等影響，不可能是完全對稱的渦結(jié)構(gòu)。本文的實驗結(jié)果中，APV以及后文的平尾翼尖渦(HTV)，基本左右對稱，但兩個渦的具體位置仍會有所差異。

實驗還觀察到了一對后體次級渦(ASV，afterbody secondary vortex)。在X/L=0截面，來流剛剛完全脫離后體表面，此時后體下表面的邊界層與上表面的邊界層同時在尾緣附近脫離表面，形成一定的渦旋結(jié)構(gòu)，因此在尾緣附近有一定渦量存在。沿著流向發(fā)展，這些流體在APV的誘導(dǎo)下，逐漸形成了一對完整的小渦結(jié)構(gòu)，分別與同側(cè)的APV反向旋轉(zhuǎn)。在X/L=0.5與X/L=1.0截面，可以看到一對清晰的后體次級渦(ASV)。這一對渦在X/L=1.5截面以后便逐漸消散，分別融合到了同側(cè)的APV中[17]。

另外，實驗為了捕捉到APV與HTV的全部演化過程，相機(jī)拍攝的范圍較大，難以清晰地捕捉后體次級渦(ASV)的具體形態(tài)和詳細(xì)動力學(xué)參數(shù)。本文將不對ASV做定量化分析。若要分析ASV的具體特征，還需要進(jìn)一步縮小拍攝范圍進(jìn)行實驗。

2.2 帶平尾后體的渦系結(jié)構(gòu)

圖5展示了有平尾后體在25m/s工況下的實驗結(jié)果。圖中虛線圓和兩側(cè)虛線分別表示機(jī)身和平尾后緣在該截面的投影。

如圖5(a)、(b)所示，加裝平尾后，與單獨后體類似，后體兩側(cè)流體向下卷積形成APV，隨后脫離后體表面并繼續(xù)向上移動。來流流過平尾，在平尾翼尖處形成一對平尾翼尖渦(HTV)，與同側(cè)APV旋轉(zhuǎn)方向相同。APV與HTV形成了文獻(xiàn)[17]中提到的典型的四渦結(jié)構(gòu)。

到了尾跡階段，如圖5(c)、(d)所示，沿來流方向，HTV向上、向內(nèi)側(cè)移動。APV也有向上移動的趨勢；但與單獨后體不同的是，APV在向上移動的同時，還向機(jī)身兩側(cè)移動，即兩側(cè)APV之間的展向距離增大。與無平尾時相比，APV的渦旋強(qiáng)度大幅減小。而HTV的渦量，總體上始終大于APV。

(a) Vortices on surface

(b) Vorticity and streamlines on cross section X/L=-0.53

(c) Contour of vorticity on wake cross sections

(a) Vortices on surfaces for HT050

(b) Vortices on surfaces for HT100

(d) Contour of vorticity on wake cross sections for HT100

HT050與HT100的實驗結(jié)果中也同樣出現(xiàn)了后體次級渦(ASV)結(jié)構(gòu)。

加裝平尾后，平尾翼尖渦(HTV)變成了渦系中強(qiáng)度較大的渦結(jié)構(gòu)，而后體主渦(APV)的強(qiáng)度則大幅減小，運動趨勢也有所變化。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 平尾翼尖渦對后體主渦的影響

帶平尾的后體，有著典型的四渦結(jié)構(gòu)，渦之間的相互作用，會改變渦的位置和渦旋強(qiáng)度。隨著渦沿流向移動，后體主渦APV的位置上移；加裝平尾后，兩側(cè)的APV還有沿展向外移的趨勢。

圖6給出了APV與HTV的渦核中心位置(渦心位置)的變化軌跡。渦心位置由渦量重心法確定：

(1)

(2)

這樣求得的渦心位置，是一階渦量矩的中心。渦區(qū)域所有點關(guān)于渦心的一階渦量矩為零。

兩側(cè)的APV與HTV分別接近對稱，取對稱渦的Z坐標(biāo)平均值Zave作為渦心的豎直位置，取對稱渦的Y坐標(biāo)絕對值的平均值|Y|ave(同時也是兩個渦之間展向距離的一半)作為渦心的展向位置。本文將渦心位置坐標(biāo)無量綱化：

(3)

(4)

(5)

式中，L為后體部分軸向長度，R為機(jī)身半徑。圖7(a)、(b)為渦心無量綱位置的變化曲線。

如圖6和圖7(b)所示，3種后體模型的APV渦心均沿Z方向豎直向上移動，Z*隨X*的增大線性增大,且平尾展長較長時，APV的位置相對靠上。加裝平尾，使APV上移趨勢增大的同時，也明顯沿展向外擴(kuò)，如圖7(a)所示，單獨后體的APV的Y*幾乎不發(fā)生變化，加裝平尾后，Y*隨X*的增大而增大；HT050比展長更大的HT100的APV渦心更靠近外側(cè)。

由于后體上翹角的存在，在后體下表面產(chǎn)生了上洗速度，使APV向上移動，這樣的移動趨勢，一直持續(xù)到尾跡中離后體較遠(yuǎn)的位置。

加裝平尾后，根據(jù)畢奧-薩伐爾(Biot-Savart)定律，HTV對后體表面和APV附近的流體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的誘導(dǎo)速度，該誘導(dǎo)速度的方向指向展向外側(cè)和機(jī)身上表面。加裝平尾增強(qiáng)了APV渦心的運動趨勢，即APV更靠近垂直上方與展向外側(cè)。

同樣，APV對HTV也會產(chǎn)生誘導(dǎo)速度，因此，HTV沿流向有向上移動的趨勢，同時向內(nèi)側(cè)移動靠近同側(cè)的APV，即圖7中HTV的Z*隨X*的增大而增大，Y*隨X*的增大而減小。HT050比HT100的HTV向內(nèi)和向上的移動趨勢更明顯。

如上文所述，加裝平尾后，平尾翼尖渦(HTV)變成了渦系中強(qiáng)度較大的渦結(jié)構(gòu)，而后體主渦(APV)的渦旋強(qiáng)度則大幅減小。

圖6 渦心位置軌跡圖(v=25m/s)

圖7 后體主渦與平尾翼尖渦渦心位置與環(huán)量的變化曲線(v=25m/s)

環(huán)量是表征渦旋強(qiáng)度的重要物理量，定義為渦量在指定區(qū)域內(nèi)的面積分

Γ=?SωXdYdZ

(6)

對于積分區(qū)域(即渦邊界)的確定，利用Q準(zhǔn)則[19]，對每個渦取Q>5000的區(qū)域進(jìn)行積分。對于前文中渦核中心的計算，也采用相同的區(qū)域。

考慮到后體渦系結(jié)構(gòu)的對稱性，取對稱渦的環(huán)量的絕對值，并對其進(jìn)行無量綱化，即

(7)

式中，v為來流速度。

圖6(c)為APV與HTV無量綱環(huán)量沿X方向的變化曲線。對于單獨后體，APV環(huán)量沿流向逐漸減小。加裝平尾后，APV的環(huán)量總體上大幅減小，仍然隨X增大而逐漸減??；而HTV的環(huán)量始終大于APV，且減小緩慢，從X*=0至X*=3.5截面，其環(huán)量僅有小幅度下降。HT100比HT050的APV與HTV環(huán)量都更大。

加裝平尾后，HTV與APV構(gòu)成的四渦系統(tǒng)中，HTV渦旋強(qiáng)度(環(huán)量)較大，在渦系相互作用中占主導(dǎo)，對APV的影響很大。根絕畢奧-薩伐爾定律，誘導(dǎo)速度與渦環(huán)量成正比，APV受HTV的影響因而比HTV受APV的影響大，因此，APV渦心的移動趨勢比HTV明顯，APV環(huán)量也被大幅削弱。

平尾展長不同時，因HTV與APV之間的距離發(fā)生了變化，相互作用模式有所不同。HT050的渦系之間是文獻(xiàn)[17]中提到的HTV占主導(dǎo)的強(qiáng)耦合相互作用，HT100的渦系之間則是HTV占主導(dǎo)的弱耦合相互作用，前者的渦之間相互影響更大。如圖7所示，對HT050，無論是HTV與APV的位置變化趨勢，還是二者各自的環(huán)量變化趨勢，都比HT100要更顯著。

3.2 不同來流速度下的后體渦系結(jié)構(gòu)

實驗結(jié)果表明：在低速環(huán)境下，速度對后體渦系結(jié)構(gòu)影響較小。以HT050為例，圖8是X/L=1.0截面上的渦量云圖(圖中標(biāo)注V20、V25、V30分別代表實驗風(fēng)速20、25、30m/s，下同)，不同風(fēng)速下的渦系結(jié)構(gòu)一致，HTV與APV的位置分別相同。圖9是APV與HTV無量綱渦心位置與環(huán)量沿流向的變化曲線。對于不同速度，HTV與APV的位置變化趨勢幾乎一致，來流速度不改變渦心位置；HTV與APV的無量綱環(huán)量受來流速度的直接影響也較小。

圖8 不同Re的渦量云圖(HT050后體，X/L=1.0截面)

圖9 不同Re的渦心位置與環(huán)量的變化曲線(HT050后體)

4 結(jié) 論

本文對加裝不同展長平尾的后體進(jìn)行了PIV實驗研究，分析了后體渦系結(jié)構(gòu)的演化特點與相互作用，得到如下結(jié)論：

(1) 沿來流方向，后體主渦的渦核中心向上移動。

(2) 加裝平尾后，后體主渦的環(huán)量大幅減小，平尾翼尖渦的環(huán)量大于后體主渦，二者構(gòu)成典型的四渦結(jié)構(gòu)，平尾翼尖渦在相互作用中占主導(dǎo)。

(3) 沿來流方向，平尾翼尖渦誘導(dǎo)后體主渦向外側(cè)移動，同時加大其向上移動的趨勢。

(4) 相比于100mm展長的平尾，50mm展長平尾的翼尖渦對后體主渦影響更大，后體主渦的渦心移動趨勢更明顯，環(huán)量也更小。

(5) 在低速環(huán)境下，相同后體構(gòu)型的渦系結(jié)構(gòu)和各無量綱參數(shù)受來流速度的影響較小。