地效翼地面粘性效應風洞試驗研究

楊美，楊韡，楊志剛

地效翼地面粘性效應風洞試驗研究

楊美，楊韡，楊志剛

(同濟大學上海地面交通工具風洞中心，上海201804)

為深入研究地面效應機理及地效翼空氣動力特性，在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的空氣動力-氣動聲學風洞內對地效翼模型進行了風洞試驗。首先，根據地效翼空氣動力特性及風洞試驗能力，對風洞試驗進行了設計;其次，在風洞試驗中利用移動路面模擬系統和六分力天平測量系統，研究了地面粘性效應對地效翼空氣動力的影響和地效翼空氣動力特性。研究結果表明:固定地面附近邊界層流動不僅與地效翼的高度有關，還與迎角有關;與移動地面相比，固定地面下測得的升力和阻力偏低，且由于固定地面邊界層受氣墊效應影響，失速延后。通過地效翼風洞試驗研究揭示了移動路面模擬的重要性，并深入分析了地效翼空氣動力特性，為地效飛行器空氣動力設計和研究提供了參考。

地面效應;粘性;風洞試驗;移動帶;空氣動力

0 引言

當飛行器接近地面或水面飛行時，升力增大，阻力減小，升阻比急劇升高，這種現象稱為地面效應。地效飛行器正是一種利用地面效應提高升阻比的高速運載工具。早在20世紀60年代，前蘇聯就開始進行地效飛行器的研究和設計工作，并取得豐碩的成果。近年來，地效飛行器引起世界多個國家的重視，紛紛開展研究工作［1-2］。

對地面效應及其空氣動力特性的研究手段一般有:理論方法、風洞試驗、實艇實驗和數值模擬。其中，風洞實驗和數值模擬是現今地面效應研究中最主要的兩個手段。近些年來，隨著計算機技術和數值模擬技術的發展，研究者應用數值計算的方法對地效翼的定常和非定常空氣動力特性做了許多研究工作［3-5］。這些研究工作為地面效應研究和地效飛行器的開發提供了大量有價值的數據，但同時也受到數值計算自身缺陷的限制，數值計算結果的準確性和可信度在計算流體力學發展過程中一直備受關注。風洞試驗研究是地面效應機理及地效翼空氣動力特性研究的重要組成部分［6］。然而，目前對地面效應的研究大多采用數值模擬的手段。這是因為:一方面，數值模擬效率高，并且可以滿足流動的相似準則;另一方面，多數風洞不具備移動路面模擬系統，風洞試驗周期長、成本高。鑒于此，本文對地面效應進行了更深入的實驗研究，以豐富地面效應實驗研究內容，并進一步通過實驗手段揭示地面效應機理。

風洞試驗在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的空氣動力-氣動聲學風洞內進行。該風洞為3/4開口式回流風洞，具備移動路面模擬系統。本研究首先根據地效翼空氣動力特性和風洞的試驗能力對地效翼和支架進行了試驗設計;然后對地效翼進行了風洞試驗，研究了地效翼空氣動力特性和地面粘性效應對地效翼空氣動力的影響。

1 風洞試驗設計

1.1 地效翼模型設計

上海地面交通工具風洞中心的空氣動力-氣動聲學風洞裝備有六分量天平和五帶移動路面模擬系統。五帶移動路面系統能夠較為真實模擬地面運動。移動帶長7000mm，寬1100mm。

為了充分利用移動帶并準確模擬地效翼近地面運動，地效翼模型展長應在1100mm以內;同時地效翼模型應盡量采用大的弦長，以充分體現地面效應，便于測量氣動力。與常規飛行器相比，地效飛行器的展弦比較小，一般在2～6之間。地效翼模型的設計一方面要考慮地效翼所受的空氣動力和測量誤差，另一方面要考慮地面效應風洞試驗的可行性。風洞試驗地效翼翼型選用NACA0012，弦長c=400mm，并設定了2個不同的展弦比:AR=2、AR=2.5，同時還設計了端板。模型以AR=2的地效翼為基礎，可在兩側增加展長和端板以改變地效翼的氣動布局，模型如圖1所示。地效翼相對端板的安裝角度為6°。

1.2 地效翼載荷評估

上海地面交通工具風洞中心的空氣動力-氣動聲學風洞中配備的六分量天平主要是用于整車及大尺寸地面交通工具縮比模型的空氣動力測量，其精度高，量程大。六分量天平主要技術指標如表1所示，其中Fx為阻力，Fz為升力。由于受移動帶尺寸的限制，地效翼模型相對較小，空氣動力測量相對誤差將增大。本文首先利用數值模擬中獲得的地效翼空氣動力與風洞試驗中的六分量天平量程進行對比，以保證所測得的空氣動力在天平的量程范圍內。

圖1 風洞試驗地效翼模型Fig.1Wing-in-ground effect test model

表1 天平主要技術指標Table 1Main parameters of balance

數值模擬中模型尺寸參考風洞試驗模型，展弦比AR=2.5，無端板，地效翼高度h/c=0.1，迎角:6°～20°。求解定常不可壓N-S方程，湍流模型選用Realizable k-ε模型。動量、湍動能和耗散率的離散化采用二階迎風差分格式，壓力-速度耦合使用simple算法求解。與風洞噴口相比，風洞試驗所用地效翼模型較小，因此數值計算中采用半無窮空間計算域。數值計算結果中地效翼阻力范圍:20～100N，升力范圍: 300～1000N。地效翼所受載荷在六分量天平量程內，滿足風洞試驗要求。

1.3 試驗支架設計

地效翼模型與天平之間需要通過支架連接。支架的設計一方面要求可以對地效翼的高度和迎角進行調節，另一方面應盡量減小支架對繞地效翼流動的干擾。

風洞試驗中地效翼高度由風洞內固定實驗模型的支桿調節。地效翼迎角由支架中設計的搖臂控制(圖2)。搖臂運動圓心正對地效翼后緣點。風洞試驗中通過手動設置搖臂的位置來改變地效翼的迎角。

在三維地效翼的數值研究中已發現翼尖附近由于存在翼尖渦，流動較為復雜，翼尖渦由翼尖前緣附近開始沿流向逐漸增大［7-9］。但同時翼尖渦在翼尖附近的影響范圍在0.5c以內，因此在風洞試驗中支架與地效翼翼尖之間的距離應大于0.5c。風洞試驗中支架安裝位置距離移動帶邊緣0.5c，在此情況下支架對繞地效翼流動的干擾非常弱，可以忽略。支架通過直徑為10mm的連桿連接地效翼和地板下的天平。地效翼和支架在風洞試驗中的安裝如圖3所示。

圖2 支架示意圖Fig.2Diagram of support

2 試驗設置

風洞試驗風速v=50m/s，基于弦長的雷諾數Re =1.4×106，移動帶速度與風速相同，為50m/s。模型通過設計的支架固定在天平上，試驗中通過支架及天平調節地效翼的離地高度和迎角。地面粘性效應風洞試驗研究中地效翼模型展弦比AR=2.5，并安裝端板。迎角變化范圍:6°～20°，間隔1°。地效翼無量綱高度:h/c=0.05，h/c=0.1，h/c=0.5。其中，離地高度h為地效翼后緣點到地面的距離。風洞試驗中移動帶下方設有一定的吸力以確保移動帶緊貼地面移動。風洞試驗以地效翼的空氣動力測量為目的，對不同高度、不同迎角下的地效翼分別在移動帶工作和靜止兩種狀態下的空氣動力進行采集。采樣頻率:5Hz，采樣時間:60s。在地效翼空氣動力風洞試驗研究中忽略了支架與地效翼之間的流動干擾，首先測量地效翼和支架受到的總空氣動力，然后測量支架所受空氣動力，最后根據公式(1)得到地效翼在不同高度及不同迎角下的空氣動力。其中，F機翼為地效翼所受空氣動力，F全為試驗中測量所得地效翼和支架的總空氣動力，F支架為試驗中僅有支架時所測得空氣動力。

3 試驗結果及分析

與自由空間相比，地面效應下機翼升力增加、阻力減小，其原因為機翼下方壓力效應和翼展效率提高［10］。圖4-6所示為展弦比AR=2.5帶端板的地效翼在風洞試驗中測得的空氣動力變化情況。在地效翼與地面之間存在氣墊效應，氣流速度減小，壓力升高，地效翼升力明顯增大;隨著離地高度的增加，氣墊效應減弱，地效翼升力減小。此外，在地面效應下，機翼的空氣動力隨迎角的改變表現出非線性變化。理論上，由于固定地面附近流動的粘性作用，在地面上會生成具有一定厚度的邊界層。邊界層的位移厚度減小了地效翼風洞試驗中的有效高度，地面效應會變強［11-13］。因此，在不具備邊界層控制系統的風洞試驗中進行地面效應風洞試驗通常需要對試驗結果進行修正。修正是建立在平板邊界層理論的基礎上，采用地效翼的有效高度，而非實際高度。然而，在地效翼的干擾下地面附近邊界層內部流動變的更加復雜，與平板邊界層流動存在差異，甚至在一定條件下會發生分離［14］。因此，經過修正后的試驗數據仍然存在偏差。移動地面模擬在地效翼風洞試驗中起著至關重要的作用。

圖4 地效翼空氣動力，h/c=0.05Fig.4Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.05

圖5 地效翼空氣動力，h/c=0.1Fig.5Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.1

圖6地效翼空氣動力，h/c=0.5Fig.6Aerodynamics of wing-in-ground effect，h/c=0.5

圖4 所示為高度h/c=0.05時，地效翼升力系數和阻力系數的變化。顯然，在固定地面下表現出的地面效應并沒有因為邊界層的存在而增強。與移動地面狀態下的空氣動力相比，固定地面下所測得的阻力和升力都偏小;隨著迎角的增大，兩種狀態下的空氣動力差別逐漸增大;固定地面下地效翼失速推遲，失速迎角約增大了4°。由固定地面下對二維地效翼流動的數值研究可知:固定地面附近邊界層在發展過程中受到地效翼與地面之間氣墊效應的影響，逆壓梯度增大;當地效翼迎角增大到一定值，前緣附近地面邊界層發生分離并形成分離泡;分離泡誘導更多來流繞地效翼上翼面流動，繞上翼面流動的逆壓梯度降低，地效翼失速推遲［14-17］。

當地效翼高度增加到h/c=0.1時，固定地面粘性效應對地效翼空氣動力的影響減小。固定地面下地效翼阻力和升力仍然比移動地面下的阻力和升力小，但差別在逐漸減小。當地效翼高度增加到h/c=0.5時，固定地面和移動地面下的升力、阻力均差別不大。從地效翼升力系數對比情況可以看出，地面邊界層位移厚度對地效翼空氣動力的影響使固定地面下地效翼升力系數略高于移動地面下地效翼的升力系數。同時，失速迎角仍然相差1°。這說明固定地面附近邊界層流動不僅與地效翼的高度有關，還與迎角有關，固定地面對繞地效翼流動的影響隨著迎角的增加而增大。

4 結論

(1)移動地面模擬可以真實再現地效翼與地面間的相對運動，有助于地面效應機理風洞試驗研究。

(2)在固定地面環境下，一方面地面附近生成一定厚度的邊界層，影響地效翼空氣動力特性試驗研究的準確性;另一方面，地面附近邊界層內流動復雜，不同于平板邊界層流動，其逆壓梯度受地效翼高度和迎角的影響，在較大的迎角和較小的離地高度下流動會發生分離，引起繞地效翼流動的變化。

(3)固定地面附近流動的粘性效應對地效翼空氣動力特性的影響主要表現為:地面邊界層的發展隨地效翼迎角及高度發生變化，這種變化使地效翼升力和阻力降低、失速迎角增大。

［1］Yang Hui.The development of wing-in-surface effect crafts and a outlook about their application［J］.Flight Dynamics，2001，19 (1):13-17.(in Chinese)楊暉.地效飛行器的發展和展望［J］.飛行力學，2001，19(1): 13-17.

［2］Rozhdestvnsky K V.Wing-in-ground effect vehicles［J］.Progress in Aerospace Science，2006，42(3):211-283.

［3］Yang Wei，Yang Zhigang.Aerodynamic investigation of a 2D wing and flows in ground effect［J］.Chinese Journal of Computational Physics，2009，26(02):231-240.

［4］Ying Chengjiong，Yang Wei，Yang Zhigang.Numerical simulation on stall of wing in ground effect［J］.Flight Dynamics，2010，28 (5):9-12.(in Chinese)應成炯，楊韡，楊志剛.地面效應下機翼失速數值模擬［J］.飛行力學，2010，28(5):9-12.

［5］Yang Wei，Yang Zhigang.A study on longitudinal stability and configuration of wing-in-ground effect based on CFD［C］//NASPC/TUWMAE.Beijing:Tsinghua University，2008.

［6］Zerihan J，Zhang Xin.Aerodynamics of a single element wing in ground effect［J］.Journal of Aircraft，2000，37(6):1058-1064.

［7］Yang Wei，Yang Zhigang.Numerical simulation on span-dominated ground effect of 3D wing in ground effect［J］.Computer Aided Engineering，2008，17(03):13-17.(in Chinese)楊韡，楊志剛.三維地效翼展向效應數值模擬［J］.計算機輔助工程，2008，17(03):13-17.

［8］Hong Liang，Yu Binghan，Hong Fangwen，et al.Simulation of 3D flow around WIG with nonlinear κ-ε turbulence model［J］.Journal of Ship Mechanics，2003，7(1):23-32.(in Chinese)洪亮，余秉漢，洪方文，等.三維流場下地效翼船巡航狀態非線性κ-ε湍流氣動的數值模擬［J］.船舶力學，2003，7(1):23-32.

［9］Moon Y J，Oh H J，Seo J H.Aerodynamic investigation of threedimensional wings in ground effect for aero-levitation electric vehicle［J］.Aerospace Science and Technology，2005(9):485-494.

［10］Yang Chenjun，Wang Guoqiang，Shen Mingxiu.Numerical research on wing-in-ground effect with endplates［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2000，34(1):51-55.(in Chinese)楊晨俊，王國強，申明秀.帶端板地效應翼性能的數值研究［J］.上海交通大學學報，2000，34(1):51-55.

［11］Yang Wei，Yang Zhigang.Aerodynamic investigation on design of tiltable endplate for WIG craft［J］.Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2012，84(1):4-12.

［12］Zhang Xin，Zerihan J.Turbulent wake behind a single element wing in ground effect［C］//Proceedings of the 10th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics.Lisbon:2000.

［13］Marshall D W，Newman S F，Williams C B.Boundary layer effects on a wing in ground effect［J］.Aircraft Engineering and Aerospace Technology，2010，82(2):99-106.

［14］Yang Zhi-gang，Yang Wei，Jia Qing.Ground viscous effect on 2D flow of wing in ground proximity［J］.Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2010，4(4):521-531.

［15］Qu Qiulin，Liu Peiqing.Numerical simulation and analysis of aerodynamics of WIG craft in cruise over ground［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2006，27(1):16-22.(in Chinese)屈秋林，劉沛清.地效飛行器地面巡航氣動性能數值模擬及分析［J］.航空學報，2006，27(1):16-22.

［16］Ahmed M R，Sharma S D.An investigation on the aerodynamics of a symmetrical airfoil in ground effect［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2005，29(6):633-647.

［17］Yang Wei，Lin Feng，Yang Zhigang.Investigation on application of high lift configuration to wing-in-ground effect［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineerings，Part G:Journal of Aerospace Engineering，2012，226(3):260-271.

Wind tunnel test of ground viscous effect on wing aerodynamics

Yang Mei，Yang Wei，Yang Zhigang
(Tongji University Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Shanghai 201804，China)

A study on ground effect mechanism and aerodynamic characteristics of wing in ground effect was carried out in Aerodynamics/Aero-acoustic Wind Tunnel of Shanghai Automotive Wind Tunnel Center of Tongji University.Based on aerodynamics characteristics of the wing and the test ability of the wind tunnel，a wind tunnel test was firstly designed.Then an experimental study on ground viscous effect and aerodynamics was carried out by using moving belt system and six-component balance measurement system.It is shown that flow in boundary layer near the fixed ground is related not only to the distance between wing and ground，but also to the attack angle of this ground effect wing.The lift and the drag of the wing are lower while the stall angle is higher than that over a moving ground.Mechanism of ground effect was thoroughly investigated，importance of moving ground simulation was discussed，and the aerodynamics of wing in ground effect was comprehensively analyzed through the experimental studies，which provide important reference for aerodynamic design and research of WIG craft.

ground effect;viscous effect;wind tunnel test;moving belt;aerodynamics

V211.4

Adoi:10.7638/kqdlxxb-2013.0002

0258-1825(2015)01-0082-05

2013-01-11;

2013-04-19

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2011CB711203)

課題負責人:楊志剛，男，博士生導師，長江學者，E-mail:zhigangyang@tongji.edu.cn

楊美(1988-)，女，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向為空氣動力學.E-mail:1133223@tongji.edu.cn

楊美，楊韡，楊志剛.地效翼地面粘性效應風洞試驗研究［J］.空氣動力學學報，2015，33(1):82-86.

10.7638/kqdlxxb-2013.0002.Yang M，Yang W，Yang Z G.Wind tunnel test of ground viscous effect on wing aerodynamics［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2015，33(1):82-86.