[论文解读] Assessment of skin-friction-reduction techniques on a turbulent wing section

Marco Atzori, Ricardo Vinuesa+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 12被引用 8

一句话总结

本研究在雷诺数 $\mathrm{Re}_c = 200,000$ 条件下，研究了在NACA4412翼型湍流边界层上采用均匀吹气作为减阻技术的效果。通过高分辨率的大涡模拟（LES），结果表明：在受控区域，吹气使壁面摩擦阻力降低了17%，但同时增加了压差阻力，导致由于升力下降而阻力不变，整体气动效率降低了2%。

ABSTRACT

The scope of the present project is to quantify the effects of uniform blowing and body-force damping on turbulent boundary layers subjected to a non-uniform adverse-pressure-gradient distribution. To this end, well-resolved large-eddy simulations are employed to describe the flow around the NACA4412 airfoil at moderate Reynolds number 200, 000 based on freestream velocity and chord length. In the present paper we focus on uniform blowing and the conference presentation will include a comparison with body-force damping applied in the same region. The inner-scaled profiles of the mean velocity and of selected components of the Reynolds-stress tensor are examined and compared with the uncontrolled cases. It is known that uniform blowing and adverse-pressure gradients share some similarities in their effect on the boundary layers, and our results will show that these effects are not independent. The behaviour of the skin-friction coefficient is analyzed through the FIK decomposition, and the impact of this control strategy on the aerodynamic efficiency of the airfoil is discussed.

研究动机与目标

• 量化在非均匀逆压梯度（APG）条件下，均匀吹气对湍流边界层的影响。
• 评估通过吹气实现的壁面摩擦阻力降低是否能提升机翼剖面的整体气动效率。
• 利用FIK分解比较吹气与APG效应在壁面摩擦阻力降低机制上的物理差异。
• 评估吹气对内尺度变量下平均速度和雷诺应力分布的影响。
• 研究流动历史和上游条件对高APG区域吹气效果的影响。

提出的方法

• 在 $\mathrm{Re}_c = 200,000$ 条件下，采用谱元代码Nek5000进行高分辨率大涡模拟（LES）。
• 采用显式正则化方法（ADM-RT）以稳定LES并确保数值鲁棒性。
• 使用C型结构化网格，网格尺寸为 $L_x = 6c$，$L_y = 4c$，$L_z = 0.2c$，内尺度单位下的分辨率分别为 $\Delta x^+ = 18$，$\Delta y_n^+ = (0.64;11)$，$\Delta z^+ = 9$。
• 通过在壁面施加非零法向速度来实现均匀吹气，替代无滑移边界条件。
• 在 $x/c = 0.1$ 处通过体积力施加扰动以触发湍流，模拟实验中的扰流条。
• 应用FIK分解分析压力梯度、对流项和粘性应力对壁面摩擦阻力降低的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 均匀吹气如何影响NACA4412翼型在逆压梯度湍流边界层中的平均速度和雷诺应力分布？
• RQ2 吹气导致的壁面摩擦阻力降低的机理是什么？其与逆压梯度引起的机理有何不同？
• RQ3 在考虑升力和阻力变化的情况下，均匀吹气在多大程度上提升了翼型的气动效率？
• RQ4 吹气在不同逆压梯度水平区域的效果如何变化？
• RQ5 在高$\beta$区域，流动历史在观察到的壁面摩擦阻力降低中起到何种作用？

主要发现

• 在 $\mathrm{Re}_c = 200,000$ 条件下，均匀吹气使受控区域（$0.24 < x/c < 0.86$）的壁面摩擦系数降低了17%。
• FIK分解结果表明，吹气引起的壁面摩擦阻力降低主要由发展项驱动，特别是法向速度项，而逆压梯度则通过压力梯度项起作用。
• 尽管壁面摩擦阻力降低了17%，但由于壁面压力分布改变导致压差阻力增加，阻力系数 $C_d$ 几乎保持不变。
• 升力系数 $C_l$ 略有下降，导致与未控制情况相比，气动效率（$C_l/C_d$）降低了2%。
• 逆压梯度参数 $\beta$ 近似与雷诺数无关，验证了采用 $\mathrm{Re}_c = 200,000$ 作为代表性工况的合理性。
• 吹气在逆压梯度更高的区域效果更强，但其根本原因——法向对流增强还是上游历史效应——尚不明确。