[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种低阶涡格法，通过基于粘性翼型数据迭代调整的抛物线形脱腔襟翼，模拟后 stall 状态下的行为，从而预测无后掠翼的流动分离和失速。该方法准确预测了升力、阻力、力矩及展向分离模式，与多种翼型和展弦比的实验结果和 CFD 结果吻合良好，在后 stall 区域的精度优于传统 VLM。

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.

研究动机与目标

• 将传统涡格法（VLM）扩展至预测线性区域以外的气动载荷，特别是接近失速和后失速迎角时的气动载荷。
• 通过引入粘性边界层效应，解决 VLM 在流动分离时过度预测升力和力矩的问题。
• 预测无后掠翼的展向流动分离分布，弥补早期低阶方法在该方面的不足。
• 实现飞机设计、飞行力学建模与仿真中气动载荷与力矩的快速、精确预测。
• 提升不同展弦比、尖削比以及小准稳态滚转率下翼面的收敛性与精度。

提出的方法

• 该方法通过在每个翼型截面处引入一个铰接于局部分离点的抛物线形脱腔襟翼，对标准 VLM 进行改进。
• 对每个截面，通过迭代调整脱腔襟翼，使其升力与力矩系数与二维粘性输入曲线在有效迎角下的值相匹配。
• 有效迎角由局部流体迎角确定，粘性数据（Cl、Cm、Cd 与 α 的关系）用作收敛判据。
• 通过最小化 VLM 预测系数与粘性数据输入系数之间的偏差，计算脱腔形状，确保与实验或基于 CFD 的翼型数据一致。
• 通过势流扩展方法考虑翼尖涡效应，尽管当前实现中未完全建模。
• 迭代求解在所有翼型截面的工作点均与各自粘性输入曲线对齐时收敛，确保对失速起始与后失速行为的准确预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 低阶方法能否准确预测无后掠翼在接近失速和后失速迎角下的流动分离起始与发展？
• RQ2 抛物线形脱腔襟翼在涡格框架中，多大程度上能有效模拟边界层分离导致的等效中弧线减小？
• RQ3 该方法在预测展向分离模式方面表现如何，特别是对矩形翼和尖削翼？
• RQ4 在准稳态滚转率下，该方法在预测滚转阻尼与力矩特性方面的表现如何？
• RQ5 该方法在处理具有突跃（尖锐）失速特性的翼型或极高后失速迎角时存在哪些局限性？

主要发现

• 该方法在多种翼型和展弦比下，对总升力、阻力和俯仰力矩系数的预测与实验数据和 CFD 解算结果具有良好一致性。
• 在某些情况下，失速迎角、最大升力和力矩系数略有高估，但其变化趋势与实验和模拟结果一致。
• 该方法正确预测了矩形翼从翼根首先失速，而尖削翼则从外翼段首先失速，符合物理实际行为。
• 即使在后失速状态下，该方法预测的升力与力矩展向分布与 CFD 结果吻合良好。
• 预测的分离模式，包括分离区域的形状与范围，与 CFD 的皮层摩擦线可视化结果定性一致。
• 脱腔襟翼的形状与各截面处实际分离边界层的形态高度相似，验证了该方法的物理解释基础。