CN104118556B - 一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，60％弦长之前的翼型厚度小，60％弦长之后的翼型厚度大，形成“勺型”几何特征，且60％弦长之前翼型的最大相对厚度是60％弦长之后翼型最大相对厚度的66％左右。翼型最大相对厚度位置位于77％左右弦长处，翼型在40％左右弦长处存在一个厚度变小区域，且翼型此处的最小相对厚度是翼型最大相对厚度的35％左右。翼型前部厚度小，后部厚度大，使翼型具有更好的力矩特性。在～104雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力大大减小，从而具有高升阻比及更优异的气动性能。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，具体涉及一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型。
背景技术
高空飞行器以太阳能转化的电能为主要能源，多采用电驱动螺旋桨，工作在20～30km的高空范围内，其设计目标为：实现长时间定点悬停或低速机动飞行。由于临近空间空气密度小，螺旋桨的前进速度较小，导致螺旋桨翼型基本处于极低雷诺数、马赫数0～0.6的特殊工况下；其中，极低雷诺数指～104量级雷诺数。由此可见，如何提高～104雷诺数下螺旋桨翼型升阻比，从而提高螺旋桨气动效率具有重要的实际意义和应用价值。
常规低雷诺数翼型主要针对雷诺数大于105进行设计，采用常规翼型，当其处于极低雷诺数时，具有以下问题：常规翼型表面层流分离现象严重，翼型升阻性能恶化剧烈，即：低雷诺数时，翼型表面流动以层流为主，层流附面层不稳定，当其不能克服翼型表面逆压梯度时，流动发生分离，并转捩成湍流，之后发生湍流再附，形成层流分离泡。层流分离泡的出现导致翼型升力系数降低，阻力系数增加，极大地降低了翼型升阻比。因此，提高～104雷诺数下翼型升阻比的关键在于，如何有效控制翼型低雷诺数下的层流分离泡，从而尽可能减小层流分离泡对低雷诺数翼型气动性能的影响。
现有技术中，国内外对常规低雷诺数翼型的低雷诺数特性进行了一些理论和实验方面的研究。在国外，Muti Lin J.C等进行了经典低雷诺数翼型E387的低雷诺数层流分离泡研究，主要分析了低雷诺数下E387翼型的层流分离现象，并未解决～104极低雷诺数下E387翼型升阻比低的问题；Michael S Selig等通过风洞实验设计研究了大量的低雷诺数翼型，但这些翼型在雷诺数大于105时的性能更加优异，在～104雷诺数下升阻比仍较低。在国内，针对低雷诺数翼型的研究，也主要集中在低雷诺数下翼型层流分离现象方面，刘沛清等开展了低雷诺数下翼型层流分离泡及吹吸气控制数值研究，使用流动控制的方式抑制常规翼型低雷诺数下的层流分离泡，从而提升翼型的低雷诺数性能。
由此可见，目前针对低雷诺数翼型的研究，更多的集中在常规翼型在低雷诺数下的流动分离现象本身，并没有提出一种在低雷诺数下具有优异气动性能的新翼型，即无法从根本上解决如何提高～104雷诺数下翼型升阻比，从而提高翼型气动性能的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，在～104雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力大大减小，从而具有高升阻比及更优异的气动性能。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，所述特殊勺型翼型具有以下几何结构参数：
以翼型上下表面的连接点为坐标原点，以翼型弦长所在直线为X轴建立直角坐标系，则：用c表示弦长；
在第一位置点出现第一厚度峰值；其中，第一位置点用x1表示，第一厚度峰值用T1表示；T1位于以下区间范围内：c*3.3％～c*5.3％；x1位于以下区间范围内：c*9.0％～c*11.0％；
在第二位置点出现第二厚度峰值；其中，第二位置点用x2表示，第二厚度峰值用T2表示；T2也为翼型最大厚度；T2位于以下区间范围内：c*5.5％～c*7.5％；x2位于以下区间范围内：c*75.7％～c*77.7％
在第一位置点x1和第二位置点x2之间的第三位置点出现厚度谷值；其中，第三位置点用x3表示，厚度谷值用T3表示；T3位于以下区间范围内：T2*34.5％～T2*36.0％；x3位于以下区间范围内：c*39.0％～c*41.0％。
优选的，T1＝c*4.3％；x1＝c*10.0％；
T2＝c*6.5％；x2＝c*76.7％；
T3＝T2*35.4％；x3＝c*40.0％。
优选的，还包括：
翼型最大弯度f位于以下区间范围内：c*3.5％～c*4.5％；最大相对弯度位于以下区间范围内：c*38.0％～c*40.0％。
优选的，翼型最大弯度f＝c*4.1％；最大相对弯度位于38.9％弦长处。
优选的，还包括：
在从前缘到9％～11％弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变化率。
优选的，在从前缘到10％弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变化率。
优选的，所述翼型上表面曲率变化率小于所述翼型下表面曲率变化率。
优选的，所述翼型的上表面数据点坐标见表1；所述翼型的下表面数据点坐标见表2：
表1 翼型上表面数据点
表2 翼型下表面数据点
本发明提供的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，具有以下优点：
与常规低雷诺数翼型相比，在～104雷诺数下，层流分离泡小，翼型阻力小，升阻比高，具有更优异的气动性能。
附图说明
图1为本发明提供的设计翼型的几何外形图；
图2为本发明提供的设计翼型的厚度分布曲线图；
图3为本发明提供的设计翼型的弯度分布曲线图；
图4为常规低雷诺数翼型E387的几何外形图；
图5为E387翼型厚度分布曲线图；
图6为E387翼型弯度分布曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
本发明设计了一种适合～104雷诺数下的低速极低雷诺数高升力翼型。此翼型的突出特点是：60％弦长之前的翼型厚度小，60％弦长之后的翼型厚度大，形成“勺型”几何特征，且60％弦长之前翼型的最大相对厚度是60％弦长之后翼型最大相对厚度的66％左右。翼型最大相对厚度位置位于77％左右弦长处，翼型在40％左右弦长处存在一个厚度变小区域，且翼型此处的最小相对厚度是翼型最大相对厚度的35％左右。翼型前部厚度小，后部厚度大，使翼型具有更好的力矩特性。
另外，翼型上表面平滑，曲率小，同时翼型整体弯度小，翼型最大弯度为4％左右。同时翼型从前缘到10％左右弦长范围内的弯度变化剧烈。
基于上述设计原则，如图1所示，为本发明提供的设计翼型的几何外形图；如图4所示，为常规低雷诺数翼型E387的几何外形图；对比图1和图4，本发明设计翼型具有明显的“翼型前部厚度小，翼型后部厚度大”的几何特征，且翼型上表面平滑，下表面变化剧烈。
如图2所示，为本发明提供的设计翼型的厚度分布曲线图；如图5所示，为E387翼型厚度分布曲线图；对比图2和图5可以看出，常规低雷诺数翼型仅有一个厚度峰值，最大厚度位置位于31％弦长处，而本发明设计翼型存在两个厚度峰值，翼型前部的厚度峰值位于10％弦长处，相对厚度为4.3％；翼型后部厚度峰值是翼型最大厚度处，位于76.7％弦长处，最大相对厚度为6.5％，在两个厚度峰值之间，存在一个厚度变小区域，此区域的最小厚度位于40％弦长处，最小相对厚度为2.3％，翼型最小厚度为翼型最大厚度的35.4％，此种厚度分布，既保证翼型具有较大的升阻比，又保证其有好的力矩特性。
如图3所示，为本发明提供的设计翼型的弯度分布曲线图；如图6所示，为E387翼型弯度分布曲线图；对比图3和图6可以看出，常规翼型弯度变化平滑，本发明设计翼型最大相对弯度小，为4.1％，最大相对弯度位置位于38.9％弦长处，前缘弯度变化剧烈，从前缘到10％弦长处的区域内翼型厚度变化快。
对比计算了设计翼型和常规低雷诺数翼型E387的性能，计算状态：马赫数为0.3，雷诺数为50000，为了比较两种翼型在相同升力系数下的升阻比特性，两者的计算攻角分别取为4°和6°。由表3给出的两个翼型的计算结果可以看出，在低速、低雷诺数条件下，当两种翼型升力系数一致时，本发明设计翼型的升阻比比常规低雷诺数翼型E387的升阻比高70％左右。由此可见，本发明设计的翼型在低速极低雷诺数下具有更加优异的升阻特性。
表3 设计翼型与E387翼型性能对比
在低速、～104雷诺数工况下，常规低雷诺翼型发生后缘分离，并在翼型后缘形成大的层流分离泡，大的层流分离泡导致翼型阻力急剧增加，从而导致翼型升阻比降低；而具有以上几何特征的本发明翼型，在翼型前缘发生层流分离，形成层流分离泡，并转捩为湍流，之后湍流再附，湍流附面层稳定性更强，不易发生流动分离，而且本发明翼型形成的层流分离泡比常规低雷诺数翼型形成的层流分离泡小，从而本发明翼型具有更小的翼型阻力和更大的翼型升阻比。
表1和表2给出了设计翼型的点数据。
表1 设计翼型上表面数据点
表2 设计翼型下表面数据点
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，所述特殊勺型翼型具有以下几何结构参数：
以翼型上下表面的连接点为坐标原点，以翼型弦长所在直线为X轴建立直角坐标系，则：用c表示弦长；
在第一位置点x1出现第一厚度峰值T1；其中，T1位于以下区间范围内：c*3.3％～c*5.3％；x1位于以下区间范围内：c*9.0％～c*11.0％；
在第二位置点x2出现第二厚度峰值T2，T2也为翼型最大厚度；其中，T2位于以下区间范围内：c*5.5％～c*7.5％；x2位于以下区间范围内：c*75.7％～c*77.7％
在第一位置点x1和第二位置点x2之间的第三位置点x3出现厚度谷值T3；其中，T3位于以下区间范围内：T2*34.5％～T2*36.0％；x3位于以下区间范围内：c*39.0％～c*41.0％。
2.根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，T1＝c*4.3％；x1＝c*10.0％；
T2＝c*6.5％；x2＝c*76.7％；
T3＝T2*35.4％；x3＝c*40.0％。
3.根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，还包括：
翼型最大弯度f位于以下区间范围内：c*3.5％～c*4.5％；最大相对弯度位于以下区间范围内：c*38.0％～c*40.0％。
4.根据权利要求3所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，翼型最大弯度f＝c*4.1％；最大相对弯度位于38.9％弦长处。
5.根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，还包括：
在从前缘到9％～11％弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变化率。
6.根据权利要求5所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，在从前缘到10％弦长处的区域内，其翼型厚度变化率高于翼型其他区域厚度变化率。
7.根据权利要求1所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，所述翼型上表面曲率变化率小于所述翼型下表面曲率变化率。
8.根据权利要求1-7任一项所述的极低雷诺数高升阻比低速特殊勺型翼型，其特征在于，所述翼型的上表面数据点坐标见表1；所述翼型的下表面数据点坐标见表2：
表1 翼型上表面数据点
表2 翼型下表面数据点
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