张阳, 周洲, 李旭

(西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072)

近年来对垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)固定翼无人机的研究备受关注,极具代表性的有XV-24“雷击”无人机、NASA的GL-10验证机、XC-142A验证机等多种型号[1]。该类无人机普遍采用分布式动力来提供起降的升力,由于分布式动力系统对空气的驱动,其后方的流场变得极其复杂,不仅被加速,并且伴有湍流度变大、气流紊乱等特点。机翼处于刚启动的分布式动力系统的喷流中,特征雷诺数极低,流场中的流动情况复杂多变,可能存在层流边界层、层流分离、转捩、湍流边界层和湍流分离等现象[2]。另外,在分布式动力系统喷流的作用下,湍流度的变化也较为剧烈,其大小也同样影响着机翼的气动特性[3]。一般认为湍流强度小于或等于1%的湍流为低强度湍流,大于10%为高强度湍流,而机翼在实际应用中多处于大于5%湍流强度的气流中。刚启动的小型风机,其后方流动在受到大气湍流和风机尾流湍流影响时,湍流度通常可以大于10%[4];航空发动机由于燃烧室中大量掺混射流和火焰筒内复杂冷却结构的存在,使得其出口的湍流度达15%～20%[5]。

VTOL无人机分布式动力系统从启动到正常运转的过程中,喷流的多变性影响着处于动力系统后机翼的特征雷诺数以及流场的湍流度变化。机翼的特征雷诺数可以由几千变化到几十万,经历的湍流度可以大于20%,同时机翼在其弦长范围内亦会经历湍流度的急剧变化。因此,面对VTOL无人机分布式动力喷流后方的复杂流场,研究低雷诺数(Re<5×105)条件下,受湍流度及湍流度梯度影响的翼型气动特性显得尤为重要。

国内外在低雷诺数条件下湍流度对翼型影响的研究主要针对低来流速度下的低速翼型。……