[論文レビュー] A Low-Order Method for Prediction of Separation and Stall on Unswept Wings

Pranav Hosangadi, Ashok Gopalarathnam|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 68被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、粘性翼型データに基づいて翼断面のキャンバーを調整する反復的放物線型デキャンバー・フラップを用いて、後期失速状態をモデル化することで、スロープのない翼における流れの剥離および失速を予測する低次の渦格子法を提示する。この手法は、実験およびCFD結果と一致するように、揚力、抗力、モーメント、および spanwise 割合の剥離パターンを正確に予測でき、特に失速域において従来のVLMよりも精度が向上する。

ABSTRACT

A low-order method is presented for aerodynamic prediction of wings operating at near-stall and post-stall flight conditions. The method is intended for use in design, modeling, and simulation. In this method, the flow separation due to stall is modeled in a vortex-lattice framework as an effective reduction in the camber, or "decambering." For each section of the wing, a parabolic decambering flap, hinged at the separation location of the section, is calculated through iteration to ensure that the lift and moment coefficients of the section match with the values from the two-dimensional viscous input curves for the effective angle of attack of the section. As an improvement from earlier low-order methods, this method also predicts the separation pattern on the wing. Results from the method, presented for unswept wings having various airfoils, aspect ratios, taper ratios, and small, quasi-steady roll rates, are shown to agree well with experimental results in the literature, and computational solutions obtained as part of the current work.

研究の動機と目的

• 従来の渦格子法（VLM）を線形領域を超える領域、特に近接失速および失速後の迎角における空力荷重を予測できるように拡張すること。
• 流れの剥離に伴い揚力およびモーメントを過大に予測するVLMの限界を、粘性境界層効果を組み込むことで是正すること。
• スロープのない翼における流れの剥離の spanwise 分布を予測できる能力を、以前の低次の手法に欠けていた点を補完すること。
• 航空機設計、飛行力学モデリング、およびシミュレーションに使用可能な、迅速かつ正確な空力力およびモーメントの予測を可能にすること。
• さまざまなスパン長率、テーパ比、および小さな準定常的ロール速度を有する翼について、収束性および精度を向上させること。

提案手法

• 標準的なVLMに、各翼断面に放物線型デキャンバー・フラップを導入することで修正する。このフラップは、局所的剥離点にヒンジされている。
• 各断面について、有効迎角における2次元の粘性入力曲線（Cl, Cm, Cd vs. α）と一致するように、デキャンバー・フラップを反復的に調整する。
• 有効迎角は局所的流れのインシデントから決定され、収束基準として粘性データ（Cl, Cm, Cd vs. α）が用いられる。
• VLMで予測された係数と、粘性情報に基づく係数との偏差を最小化するようにデキャンバー形状を計算し、実験的またはCFDベースの翼型データと一貫性を確保する。
• 現在の実装では完全にモデル化されていないが、翼端渦の効果はポテンシャル拡張を用いて考慮される。
• 反復的解法は、すべての翼断面の作動点がそれぞれの粘性入力曲線と一致するよう収束し、失速の発生および失速後の挙動を正確に予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低次の手法は、近接失速および失速後の迎角におけるスロープのない翼の流れの剥離の発生および進行を正確に予測できるか？
• RQ2 放物線型デキャンバー・フラップは、渦格子フレームワーク内での境界層剥離に起因する有効キャンバー低減をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 本手法は、特に矩形翼およびテーパー付き翼において、正しい spanwise 割合の剥離パターンをどの程度正しく予測できるか？
• RQ4 準定常的ロール速度下でのロールダンピングおよびモーメント特性を予測する際、本手法の性能はいかがなものか？
• RQ5 本手法は、急激（鋭い）失速特性を示す翼型や非常に高い失速後迎角を有する翼型を扱う際に、どのような限界を有するか？

主な発見

• 本手法は、さまざまな翼型およびスパン長率において、実験データおよびCFD解と良好に一致するように、全揚力、全抗力、ピッチングモーメント係数を予測する。
• 一部のケースでは失速迎角、最大揚力、およびモーメント係数がわずかに過大に予測されるが、実験およびシミュレーションで観察される正しいトレンドを捉えている。
• 本手法は、矩形翼が先に根元で失速すること、テーパー付き翼が先に外側部で失速することを正しく予測しており、物理的挙動と一致する。
• 失速域でも、本手法による揚力およびモーメントの spanwise 分布はCFD結果とよく一致する。
• 予測された剥離パターン、特に剥離領域の形状および範囲は、CFDによる皮膚摩擦線可視化と定性的に一致する。
• デキャンバー・フラップの形状は、各断面における実際の剥離境界層の形状に非常に近く、本手法の物理的根拠の妥当性を裏付けている。