仿雨燕機翼柔性對縱向氣動特性的影響

展京霞,王晉軍

(1.北京航空航天大學流體力學研究所,北京 100091;2.成都飛機設計研究所,成都 610041)

0 引 言

鳥類的翅膀是柔性的,在飛行中可以發(fā)生各種微小變形,其中由于羽翼的剛度較小而在翼稍部分產生的變形主要表現(xiàn)為展向彎度的變化。近年來的初步研究表明,小展弦比機翼發(fā)生柔性變形時,最大升力系數(shù)會出現(xiàn)突然的躍升、推遲失速[1-5],甚至出現(xiàn)復雜的多前緣渦結構[6]。這些研究結果提醒人們,機翼的柔性具有復雜的作用機制,對氣動特性有著巨大的影響。因此,可以推斷：對于鳥類和魚等生物,翅膀和鰭的柔性變形或許對它們的運動也有特殊的作用。

雨燕是一種具有卓越飛行能力的陸鳥,它的翅膀在滑翔狀態(tài)時呈鐮刀狀,是典型的大展弦比平面翼。在其它飛行狀態(tài)時,雨燕翅膀的手翼[7-8]會發(fā)生后掠、上反、下拍等變形和運動,形成不同掠角的平面或非平面機翼形式。筆者[9]最近的研究表明,雨燕掠角的不對稱變化能夠在橫航向交互影響較小的情況下產生顯著的滾轉力矩,雨燕通過這種方式可能實現(xiàn)快速且易于控制的滾轉機動。在雨燕的飛行過程中,也可以觀察到雨燕翅膀外翼部分發(fā)生的柔性變形(圖1)。

圖1 雨燕翅膀外翼的柔性變形Fig.1 Flexibility of common swift′s wing

目前,還沒有見到有關雨燕翅膀柔性變形與其飛行姿態(tài)、氣動特性等之間相互關系的研究。設計了模擬雨燕翅膀形狀的大展弦比機翼,采用剛度較小的均質材料加工機翼,通過風洞測力實驗研究以展向彎度變化為表現(xiàn)形式的變形對大展弦比機翼縱向氣動特性的影響。

1 模型與實驗簡介

仿雨燕翅膀平面形狀的機翼模型用厚度為0.8mm的均質硬鋁板材加工而成,機翼的手翼部分在風洞實驗時會向背風面彎曲,出現(xiàn)明顯的展向彎度變化。這樣的簡單設計并不能完全模擬雨燕飛行中翅膀展向彎度的變化,但對于了解展向變形對氣動特性的影響是有效的。這種在氣動載荷作用下發(fā)生的被動變形隨著機翼迎角的變化而改變,已有實驗觀察發(fā)現(xiàn)柔性雨燕翼模型在發(fā)生變形的同時,翼面上也存在頻率較高的小幅振動[7]。

實驗的柔性仿雨燕翼模型的臂翼掠角 Λa=0°。手翼分為手翼外段(hand-wingout)和手翼內段(handwingin),手翼外段相對手翼內段后掠12.13°,并保持這一相對角度不變,即手翼外段和手翼內段作為整體變化掠角。為簡化起見,用手翼內段掠角表征手翼后掠情況。Λh分別為-13.88°、-3.88°、-6.12°、26.12°、46.12°和 66.12°(圖 2),其中 Λh=6.12°的雨燕翼是根據滑翔飛行中雨燕翅膀的平面形狀得到的,將這一平面形狀的機翼稱為“基本雨燕翼”。為了比較柔性變形的影響,對應各個柔性翼模型有相同平面形狀的剛性翼模型,剛性翼用均質硬鋁板材制成,模型厚度為2mm,在實驗風速下不發(fā)生肉眼可見的明顯變形。

圖2 部分仿雨燕翼模型示意圖Fig.2 The models of common swift′s wing

測力實驗在北京航空航天大學D1低速風洞中進行,該風洞為三元開口回流風洞,試驗段全長1.45m,截面形狀為橢圓形,進口尺寸為1.02m×0.76m,出口尺寸為1.07m×0.81m。風洞流場品質較好,湍流度ε＜0.3%。測力用六分量桿式應變天平完成,升力和阻力測量的不確定度都小于3%。迎角通過D1風洞的迎角機構給定,模型采用側裝方式。測力實驗風速為25m/s,基于根弦長的雷諾數(shù)為Rer=6.16×104。

2 結果分析

2.1 升力特性

柔性和剛性基本雨燕翼的升力系數(shù)如圖3所示,升力斜率都在迎角8°附近突然減小,剛性基本雨燕翼的升力系數(shù)大幅下降,而柔性基本雨燕翼的升力沒有下降。對于其它掠角的雨燕翼,升力系數(shù)在小迎角區(qū)的這種變化也會因機翼的柔性變形而減緩或消除。

圖3 基本雨燕翼的升力系數(shù)Fig.3 Lift coefficient of basic swift′s wing

各個掠角的雨燕翼測力結果表明,柔性變形具有增大升力的效果見圖4(a),手翼掠角對柔性變形的增升作用有一定影響。圖4(b)、(c)、(d)給出了不同迎角下,柔性雨燕翼相對剛性翼的升力系數(shù)的絕對增量。從圖中可以看到,柔性變形的增升作用在一定的迎角范圍內有效,這和已有小后掠柔性機翼的研究結果一致[1-5]。此外,增升效果也隨手翼掠角不同而有差異。在中小迎角下,手翼前掠時柔性變形的增升作用較強;在大迎角下,手翼后掠越大,柔性變形的增升作用越強。

圖4 柔性雨燕翼與剛性雨燕翼升力系數(shù)的比較Fig.4 Lift coefficient of flexible and rigid wing

圖5 柔性、剛性雨燕翼的隨Λh的變化Fig.5 versus Λhfor flexible wing and rigid common swift′s wing

圖6 柔性、剛性雨燕翼的CLmax隨 Λh的變化Fig.6 Maximum lift coefficient versus Λhfor flexible and rigid common swift′s wing

柔性和剛性雨燕翼的最大升力系數(shù)CLmax在見圖6,可以看出柔性變形使得機翼的CLmax都有20%以上的增長。實驗結果還顯示柔性變形對平面雨燕翼對應最大升力系數(shù)的失速迎角影響不大,這也說明具有柔性變形能力的翅膀也能夠改善雨燕的大迎角飛行性能。

2.2 阻力特性

對手翼掠角不同的雨燕翼,柔性變形都有一定的減阻效果見圖7(a),只是作用的迎角范圍稍有不同見圖7(b),但總體而言,柔性變形在很大的迎角范圍內都能夠減小雨燕翼的阻力系數(shù)。

根據阻力系數(shù)測量結果得到的升致阻力因子k隨手翼掠角的變化見圖8(a),可以看到,當手翼后掠時,柔性雨燕翼的k都小于剛性翼,說明在相同的升力系數(shù)下,柔性翼付出的阻力代價更小。因此,雨燕等鳥類翅膀的柔性變形可以有效地減小飛行時的升致阻力,提高氣動效率。柔性雨燕翼的最大升阻比都高于剛性翼見圖8(b),說明雨燕翼的柔性變形有利于巡航效率的提高。從圖中可以看到,柔性翼的最大升阻比在基本雨燕翼形狀時最高,達到9左右,與剛性翼相比增大了50%。這些結果說明,柔性變形具有增升減阻、提高最大升阻比的效果,因此,在鳥類的飛行中,翅膀的柔性小變形具有非常重要的意義。可見在微型飛行器的設計中,采用柔性變形機翼,可以極大地提高和改善其氣動性能。

圖7 柔性雨燕翼與剛性雨燕翼阻力系數(shù)的比較Fig.7 Drag coefficient for flexible and rigid wing

圖8 柔性和剛性雨燕翼的升致阻力因子k、最大升阻比隨Λh的變化Fig.8 Maximum lift-to drag ratio versus Λhfor flexible and rigid wing

2.3 俯仰力矩特性

柔性和剛性雨燕翼的俯仰力矩系數(shù)比較接近,小迎角線性段內柔性翼的CCLm只在前掠和較大后掠角情況下略有增大,可見柔性變形對機翼縱向靜穩(wěn)定性的影響較小(圖9)。

圖9 柔性和剛性雨燕翼的隨Λh的變化Fig.9 的versus Λhfor flexible and rigid wing

3 結 論

通過風洞測力實驗分析了表現(xiàn)為展向彎度變化的柔性變形對大展弦比雨燕翼縱向氣動特性的影響。實驗結果表明,這種柔性變形在較寬的迎角和機翼掠角范圍內都具有增升減阻的效果,可顯著提高最大升阻比和最大升力系數(shù)。因此,鳥類翅膀的柔性對其飛行具有非常重要的意義,在微型飛行器的設計中采用柔性變形機翼可顯著提高其氣動性能。柔性變形增升減阻的機理目前還不很清楚,有待深入研究。

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